Márcio Luís de Souza

Elton Santos Simões

Diego de Souza Almeida

CONDUTORES ELÉTRICOS

Instituto Tecnológico de Caratinga

Caratinga 2014

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Márcio Luís de Souza

Elton Santos Simões

Diego de Souza Almeida

CONDUTORES ELÉTRICOS

Trabalho apresentado ao curso de Engenharia

Elétrica como requisito parcial à obtenção de

créditos na disciplina de Materiais Elétricos.

Orientador: Hudson de Matos Batista.

Instituto Tecnológico de Caratinga

Caratinga 2014

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Sumário

1. DEFINIÇÃO................................................................................................................. 04

2. METAIS USADOS EM CONDUTORES ELÉTRICOS............................................. 05

3. CONDUTIVIDADE E RESISTIVIDADE................................................................... 07

4. FLEXIBILIDADE DOS CONDUTORES ELÉTRICOS............................................. 11

5. CONEXÕES.................................................................................................................11

6. RESISTÊNCIA À CHAMA.........................................................................................12

7. CONSTITUIÇÃO DOS CONDUTORES ELÉTRICOS E CABOS DE

ENERGIA.....................................................................................................................13

7.1.1. Alma Condutora........................................................................................... 13

7.1.2. Camada Isolante........................................................................................... 14

8. CÓDIGO DE CORES...................................................................................................15

9. MATERIAIS ISOLANTES.......................................................................................... 16

9.1. Isolações poliméricas............................................................................................. 16

9.1.1. Materiais poliméricos empregados nas terminações.................................. 16

9.1.1.1. Polietileno.........................................................................................16

9.1.1.2. Borracha de silicone.........................................................................17

9.2. Isolações termoplásticas......................................................................................... 17

9.3. Isolações termoplásticas a frio.............................................................................. 17

9.4. Isolação termofixa................................................................................................. 18

9.5. O Fenômeno de “Walter Treeing”........................................................................ 18

9.6. Processo de reticulação de isolantes.......................................................................19

9.7. Determinação da espessura de isolação..................................................................20

9.8. Dimensionamento dos cabos em função da isolação..............................................21

9.8.1. A tensão elétrica...........................................................................................21

9.8.2. A corrente elétrica........................................................................................22

9.9. Cobertura dos condutores elétricos.........................................................................22

9.9.1. Capas metálicas.............................................................................................23

9.9.1.1. Écran metálico...................................................................................24

9.9.1.2. Armadura metálica............................................................................24

10. CRITÉRIOS PARA A SELEÇÃO DA SELEÇÃO DA

SEÇÃO DOS CONDUTORES....................................................................................24

11. DADOS BÁSICOS PARA ESPECIFICAÇÃO E PROJETO.......................................25

12. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................27

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1. DEFINIÇÃO

No contexto da física e da engenharia, os condutores elétricos são materiais nos quais as

cargas elétricas se deslocam de forma relativamente livre. Segundo Teixeira Júnior (2004), os

cabos de energia são caracterizados por quatro elementos básicos, sendo eles:

O condutor

O sistema dielétrico

A blindagem metálica

A proteção externa

Segundo Pazzini (s.d.), os condutores elétricos, representados na figura 1, constituem os

principais componentes das linhas elétricas, devido à sua necessidade para conduzirem

eletricidade até as cargas elétricas. “Define-se condutor elétrico como sendo o produto

metálico, geralmente de forma cilíndrica, utilizado para transportar energia elétrica ou

transmitir sinais elétricos” (PAZZINI, s.d., p. 8).

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Figura 1: Modelos de condutores (cabos de energia).

Fonte: SANTOS (2005).

Sabe-se que atualmente, o uso da eletricidade pelos variados setores da sociedade é

extremamente elevado. Sendo que a quantidade de energia elétrica utilizada em tais setores

exige meios e equipamentos seguros e eficientes para “transportar” essa quantidade de

energia.

Conforme afirmam Cavalin; Cervelin (2009), nas instalações elétricas em geral os

condutores são insubstituíveis na função de transportar a energia elétrica necessária ao bom

funcionamento de todos os equipamentos e sistemas presentes nas unidades consumidoras. No

entanto, tais condutores devem ser de excelente qualidade e que sejam corretamente utilizados

de acordo com a finalidade a qual se destinam.

2. METAIS USADOS EM CONDUTORES ELÉTRICOS

De acordo com Teixeira Júnior (2004), os materiais normalmente utilizados como

condutores elétricos são o cobre e o alumínio. Embora também sejam utilizados

principalmente na indústria da eletrônica, o chumbo, bronze, a platina, o latão, a prata e o

mercúrio, pois estes metais também possuem uma considerável condutividade elétrica.

Alguns possuem maior diversidade de utilização devido às suas utilidades na indústria da

eletrônica, alguns não são usados com abundância devido às questões de disponibilidade do

material e a fatores econômicos.

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Os condutores de cobre têm o seu uso mais generalizado, devido às suas altas e

superiores características mecânicas e elétricas. Principalmente para o seu uso em fios e cabos

isolados para baixa tensão, onde há os requisitos de facilidade e segurança para as conexões.

Para a utilização no setor de transmissão, ilustrado na figura 2, e distribuição aérea de

energia, o alumínio é geralmente utilizado principalmente devido à sua baixa densidade e seu

menor custo de mercado.

Conforme afirmam Cavalin; Cervelin (2009), a utilização do cobre em larga escala se

deve ao fato dele apresentar as propriedades e características que lhe garantem uma posição

de destaque entre os metais condutores, dentre as quais se podem citar1:

densidade (8,95 g/cm3).

ponto de fusão de 1.083°C.

ponto de ebulição de 2.595°C.

Figura 2: Sistema tradicional de transmissão de energia elétrica.

Foto: Márcio Luís de Souza.

condutividade em ambientes sem oxigênio: 61m/W.mm².

condutividade do cobre eletrolítico (utilizado em escala comercial): 58m/W.mm².

pureza mínima do cobre eletrolítico (refinado por eletrólise): 99,9%.

possui cor avermelhada.

permite fácil soldagem.

1 CAVALIN; CERVELIN, 2009, p. 223.

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baixa resistividade (r) (fundido: 0,0169 W.mm²/m; laminado e recozido: 0,0179

W.mm²/m; encruado: 0,0182 W.mm²/m), sendo inferior apenas à prata (0,0162

W.mm²/m), que em função do preço não permite sua utilização em escala comercial.

exposto ao ar, o cobre reage superficialmente, formando uma fina camada de óxido

que protegerá de novas oxidações; se a exposição for longa, forma-se uma pátina

verde de sulfato básico.

baixa oxidação para a maioria das aplicações.

O alumínio é muito utilizado devido a ser extremamente maleável e dúctil. Segundo

Cavalin; Cervelin (2009), pelo fato de o alumínio ser o metal mais abundante na crosta

terrestre, na escala de utilização encontra-se em segundo lugar tanto na indústria como na área

elétrica2.

Apresenta-se a seguir algumas características desse material.3

densidade (2,7 g/cm3).

ponto de fusão: 660,2°C.

ponto de ebulição 2.467°C.

condutividade (recozido): 38,2 m/W.mm².

condutividade (encruado): 33,9 m/W.mm².

condutividade mínima de acordo com o padrão IACS: 61%.

resistência à tração (recozido): 3,5 a 6kgf/mm².

resistência à tração (encruado): 11 a 13kgf/mm².

resistividade (r) do alumínio a 20°C (recozido): 0,0262W.mm²/m.

resistividade (r) do alumínio a 20°C (encruado): 0,0295W.mm²/m.

Os fios podem ser usados como condutores elétricos nus ou isolados, ou podem ser

produtos semiacabados destinados à fabricação de cabos.

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 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.

2 (Indústria: 1º lugar - ferro e aço; e na área elétrica: 1º lugar - cobre).

3 Segundo CAVALIN; CERVELIN, 2009, p. 224.

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As três principais diferenças entre o cobre e o alumínio são: condutividade elétrica, peso e

conexões.

3. CONDUTIVIDADE ELÉTRICA E RESISTIVIDADE

Os metais são elementos químicos que formam sólidos opacos, lustrosos, bons condutores

de eletricidade e calor e, quando polidos, bons refletores de luz. A maioria dos metais é forte,

dúctil, maleável e, em geral, de alta densidade, esses fatores juntos conferem aos metais como

o cobre e o alumínio as características de bons condutores elétricos.

Condutividade elétrica será demonstrada pelo seu símbolo ( ), essa característica é usada

para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é simplesmente o recíproco

da resistividade, ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual

um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. A unidade é a recíproca de ohm-metro,

isto é, [(Ω-m)]. As seguintes discussões sobre propriedades elétricas usam tanto a

resistividade quanto a condutividade.

Equação 1: Condutividade elétrica.

Sendo: σ a condutividade elétrica

ρ a resistividade elétrica

Dessa forma pode-se dizer que a condutividade é o inverso do valor da resistividade

elétrica do material. Ou seja, quanto maior a resistividade, menor será a condutividade. É o

que mostrou a equação 1.

Segundo Kítor (2014), os materiais são classificados como condutores quando a sua

condutividade é maior que 104/Ω.m, semicondutores se sua condutividade estiver no intervalo

entre 10-10

/Ω.m e 104/Ω.m e isolantes se sua condutividade for menor que 10

-10/Ω.m.

Os metais geralmente possuem ótima condutividade, na faixa de 107/Ω.m. Estes são os

mais utilizados para as linhas de transmissão de energia elétrica, pois propiciam um menor

desperdício. Devido a sua alta condutividade, há menos perdas por aquecimento da rede

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elétrica. A prata é ótimo condutor, mas o cobre é o mais aplicado pela melhor relação

custo/benefício.

O fenômeno da supercondutividade é observado em alguns materiais e algumas ligas.

Neste caso, a resistividade é nula, e a condutividade é infinita. Mas isto só é possível quando a

substância encontra-se a baixíssimas temperaturas, o que não permite seu funcionamento em

diversas áreas.

Ainda segundo Kítor (2014), durante o processo de condutividade elétrica, quando se

dá o deslocamento destas cargas ocorrem interações entre os elétrons e a cadeia de átomos.

Isto causa alguma resistência ao movimento destes elétrons conforme mostra a figura 3, esse

processo é descrito como resistividade elétrica apresentada pelo material condutor.

Figura 3: Representação de três elétrons em uma rede cristalina. Ao se mover pela rede de átomos, ocorre perturbação da cadeia de átomos.

Fonte: KÍTOR (2014)

Esta resistência à passagem da corrente elétrica é devido à resistividade, que é uma

característica de cada material. Matematicamente, esta resistividade elétrica é dada por:

Equação 2: Resistividade elétrica.

ρ = R.S Sendo ρ a resistividade elétrica

L R a resistência elétrica

S a seção transversal

L o comprimento do material

Nota-se que a resistividade é proporcional à resistência elétrica R e a área de seção

transversal S do material e inversamente ao comprimento do material em questão. Ou seja,

quanto maior a resistência medida em um material, para uma dada área de seção transversal

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reta e um determinado comprimento, maior será sua resistividade. O melhor condutor elétrico

conhecido é a prata4. Este metal, no entanto, é excessivamente caro para o uso em larga

escala. O cobre vem em segundo lugar na lista dos melhores condutores, sendo amplamente

usado na confecção de fios e cabos condutores. Logo após o cobre, encontramos o ouro que,

embora não seja tão bom condutor como os anteriores, devido à sua alta estabilidade química

(metal nobre) praticamente não oxida e resiste a ataques de diversos agentes químicos, sendo

assim empregado para banhar contatos elétricos. O alumínio, em quarto lugar, é três vezes

mais leve que o cobre, característica vantajosa para a instalação de cabos em linhas de longa

distância.

A resistência de um condutor ôhmico é devida às colisões entre as cargas de condução

e os átomos ou íons. As cargas de condução são aceleradas pela força eletrostática, mas

devido às colisões acabam por atingir uma velocidade média constante.

A resistência é determinada pela relação que existir entre a velocidade média atingida

e a diferença de potencial (por unidade de comprimento) que produz o movimento.

Os fatores que determinam o valor da resistência são: a natureza do material, o

tamanho do condutor e a temperatura.

Para estudar a influência do tamanho do condutor, consideremos dois cilindros

idênticos, de comprimento L e área transversal A, cada um com resistência R, ligados em

série ou em paralelo. A resistência do material é dada pela fórmula da equação 3, descrita

abaixo.

Equação 3 Resistência elétrica

Sendo

ρ a resistividade elétrica

R a resistência elétrica

A seção transversal

L o comprimento do material

A expressão empírica para a resistência de um condutor, em função da temperatura é:

4 À temperatura ambiente, 20°C.

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Equação 4: Resistência de um condutor , em função da temperatura.

Onde:

é a resistência 20ºC

é o coeficiente de temperatura e

T é a temperatura em graus centígrados.

O coeficiente de temperatura é o mesmo para todos os condutores feitos do mesmo

material; cada material tem um coeficiente de temperatura próprio que é medido

experimentalmente.

4. FLEXIBILIDADE DOS CONDUTORES ELÉTRICOS

Um condutor elétrico pode ser constituído por uma quantidade variável de fios de

cobre, 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 a chamada classe de encordoamento. De acordo com essa

classificação apresentada pela NBR 6880, são estabelecidas seis classes de encordoamento,

numeradas de 1 a 6, seguindo uma ordem crescente de flexibilidade.

A norma define ainda, como caracterizar cada uma das classes, em função do número

de fios, diâmetro e resistência elétrica máxima.

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, 10mm²). A garantia de que o valor da resistência elétrica máxima não

seja ultrapassada está diretamente relacionada à qualidade e á pureza do cobre utilizado na

confecção do condutor.

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

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classe de encordoamento. De acordo com essa classificação apresentada pela NBR 6880, são

estabelecidas seis classes de encordoamento, numeradas de 1 a 6.

5. 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 inibe a formação de uma nova camada de óxido uma vez

removida a camada anterior.

6. RESISTÊNCIA À CHAMA

Um cabo elétrico pode apresentar um volume significativo de material combustível na

isolação, na cobertura5 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

5 Quando esta existir no cabo.

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chama produzida por um queimador padrão, durante 40 minutos. Ao final da exposição, o

dano provocado pelo fogo deve estar limitado a 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.

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7. CONSTITUIÇÃO DOS CONDUTORES ELÉTRICOS E CABOS DE ENERGIA

7.1 Alma Condutora

Caracteriza-se principalmente pela natureza do metal condutor, pela seção nominal e

pela sua composição, que condicionam a flexibilidade e a resistência ôhmica do condutor.

A natureza da alma condutora pode ser constituída de:

— cobre recozido, nu ou estanhado;

— alumínio, geralmente 3/4 duro;

— ligas de alumínio (resistência mecânica superior ao alumínio).

Em função da secção nominal e do grau de flexibilidade desejado a alma condutora

poderá ser:

— maciça, isto é, constituída por um único fio ou por vários sectores cabeados, sendo o

emprego da primeira solução limitado, normalmente, às secções inferiores;

— multifilar, isto é, constituída por diversos fios cabeados.

Numa alma condutora multifilar, os fios estão dispostos em hélice numa ou várias

camadas distintas, sendo o sentido de cabeamento alternado entre camadas sucessivas.

As secções das almas condutoras são, geralmente, circulares ou secatórias, conforme

mostrado na figura 4. Esta última disposição é usada, sobretudo nos cabos com 3 e 4

condutores, permitindo uma melhor ocupação do espaço destinado aos mesmos e,

consequentemente, uma diminuição das dimensões e peso do cabo. Ainda com este objetivo

as almas condutoras poderão ser compactadas.

Figura 4: Almas condutoras.

Fonte: Teixeira Júnior (2004)

Por outro lado, as almas condutoras com secção circular são constituídas por camadas

concêntricas. No entanto, no caso de secções grandes, a alma condutora poderá ser

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segmentada, isto é, composta por vários elementos cabeados, com forma sectorial, podendo

ser ligeiramente isolado entre eles. Esta constituição tem por objetivo, a redução do efeito

pelicular e de proximidade e, por consequência, a resistência ôhmica em corrente alternada,

permitindo um maior aproveitamento da secção útil.

7.2 Camada isolante

Os materiais isolantes devem corresponder aos materiais que apresentam os elétrons

de valência rigidamente ligados aos seus átomos. Entre os próprios elementos simples,

existem vários que apresentam os elétrons de valência rigidamente ligados aos átomos.

Entretanto, verifica-se que se consegue uma resistividade muito maior com

substâncias compostas, como é o caso da borracha, mica, teflon, baquelite etc. (é mais ou

menos intuitivo que os átomos se combinam, formando estruturas complexas, os elétrons

ficam mais fortemente ligados a estas estruturas). Cabe aqui fazer uma distinção entre os

termos isolação e isolamento . O primeiro exprime a parte qualitativa do material empregado,

como por exemplo, a expressão: isolação em polietileno reticulado. O segundo termo tem um

sentido quantitativo, como por exemplo, quando se diz: cabo com isolamento para 750 V.

Figura 5: Condutores elétricos e camadas isolantes.

Fonte: <www.santoscrb.com>. Acesso em 08 jun. 2014.

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8. CÓDIGO DE CORES

O código de cores, o qual deve ser rigidamente obedecido em novas instalações, é

prescrito pelas normas, tanto ABNT como ISO IECC, ANSI, e outras, para instalações de

equipamentos de telecomunicações ou informática, como segue:

Fase - Vermelho (Vm)

Neutro - Azul (Az) (preferencialmente claro)

Terra - Verde (Vd)

Para instalações residenciais podem-se utilizar outras cores, porém mantendo cada

condutor com sua finalidade, como:

Fase - Vermelho (Vm), Preto (Pr), ou ainda o Cinza (Cz)

Neutro - Azul (Az), ou ainda o Branco (Br)

Terra - Verde (Vd), ou ainda o Amarelo (Am)

A utilização mais comum dos condutores é:

O fio 10,0mm2 é mais utilizado para redes de forma geral.

O fio 8,0mm2 não é mais fabricado.

O fio 6,0mm2 é utilizado para redes, subredes, chuveiro elétrico etc.

O fio 4,0mm2 é utilizado para subredes de pequeno porte, e distribuição em circuitos

ramificados a partir de um condutor maior.

O fio 2,5mm2 é utilizado para ligação de tomadas, ramificados a partir de uma

subredes ou rede. Sendo que o fio 1,5mm2 é utilizado apenas para ligação de lâmpadas.

Figura 6: Ilustração de modelos de cores.

Fonte: Santos (2005)

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9. MATERIAS ISOLANTES

9.1 Isolações poliméricas

As técnicas de construção dos acessórios dos sistemas de distribuição de energia

elétrica têm avançado nos últimos anos e vêm utilizando cada vez mais os materiais

poliméricos, principalmente nas etapas de processos de matérias-primas e produtos acabados.

Atualmente os polímeros estão sendo utilizados em um grande número de aplicações de uso

geral e de engenharia. Em muitas destas aplicações os polímeros estão cada vez mais

substituindo outras classes de materiais que eram tradicionalmente empregadas, como

cerâmica e metais. Essa substituição é normalmente baseada no conjunto de propriedades e

características apresentadas pelos polímeros. Os mecanismos de degradação de materiais

poliméricos são muitos, mas normalmente são divididos em estresses elétricos, térmicos,

mecânicos e ambientais. Eles devem ser considerados em conjunto, pois os estresses

normalmente agem ao mesmo tempo e variam de acordo com o tipo de polímero e adição de

compósitos, tensão aplicada e fatores ambientais, como chuva, poluição e umidade.

9.1.1 Materiais poliméricos empregados nas terminações

Os principais materiais utilizados na confecção das terminações poliméricas são os são

os copolímeros de poliolefina, cujo material base é o polietileno e a borracha de silicone. A

seguir serão descritas as características e propriedades destes polímeros.

9.1.1.1 Polietileno

O polietileno é um polímero termoplásticas da polimerização e pertence à série dos

compostos chamados poliolefina. Suas propriedades básicas são controladas pela estrutura,

tamanho e uniformidade das moléculas. O polietileno é formado pelo gás etileno quando este

é polimerizado por reação em cadeia, a temperatura e pressão elevadas e em presença de

pequenas quantidades de oxigênio gasoso.

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9.1.1.2 Borracha de silicone

A borracha de silicone é classificada como um elastômero orgânico-inorgânico obtido

através da polimerização de siloxanos orgânicos. As borrachas de silicone foram

primeiramente desenvolvidas em 1943 e são empregadas em dispositivos que necessitem de

uma boa estabilidade térmica.

9.2 Isolações Termoplásticas

Os termoplásticos podem ser classificados com base em diversos critérios: grau de

cristalinidade, método de polimerização ou mesmo com base no seu custo para a indústria

transformadora. Seguindo este último critério, é frequente classificar os termoplásticos em

dois grandes grupos: os de baixo custo e elevado consumo (termoplásticos comerciais) e os de

elevado custo e baixo consumo, mais especializados e dispendiosos (plásticos de engenharia).

Por sua vez, é frequente agrupar os termoplásticos comerciais em três grandes grupos:

poliolefina, plásticos estirenos e plásticos de cloreto de vinilo.

Atualmente, as terminações constituídas de material termo contrátil, têm sido

utilizadas com muito sucesso, em substituição às tradicionais muflas de porcelana. As muflas

termo contráteis apresentam boa estabilidade térmica, com temperatura de fusão na ordem de

50 a 100ºC. São constituídas na grande maioria de copolímeros de poliolefina. Essas

terminações apresentam também aditivos em sua constituição, como antioxidantes,

estabilizantes contra raios ultravioletas, plastificantes, pigmentos, agentes de cura, retardantes

de chamas e catalisadores. Um aditivo frequentemente usado para a resistência ao trilhamento

elétrico e erosão é o hidróxido de alumínio, Al (OH)3. Este aditivo trabalha na decomposição

térmica e é consumido durante o aquecimento superficial. Uma terminação termo contrátil é

constituída de um tubo de alívio de campo, feita de um material semicondutor com alta

rigidez dielétrica, um tubo isolante termo contrátil e as saias, que possuem a função de

aumentar a distância de escoamento da corrente de fuga.

9.3 Terminações plásticas a frio

As terminações contráteis a frio são terminações feitas geralmente de compostos

elastosméricos de borracha de silicone. A flexibilidade do silicone facilita os processos de

montagem, podendo ser usadas em diferentes seções transversais de condutores.

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9.4 Isolações termofixas

Alguns dos principais termoendurecíveis são os polímeros baseados no formaldeído,

os poliuretanos e os silicones. Os plásticos baseados no fenol-formaldeído foram os primeiros

a ser produzidos completamente por via sintética, em 1907, pelo químico Baekeland. Os

plásticos fenólicos são materiais duros e resistentes ao calor. Os poliuretanos (PU) empregam-

se, principalmente, como espumas, revestimentos e adesivos.

As espumas podem ser flexíveis ou rígidas, dependendo do seu grau de reticularão. As

espumas de poliuretano são comercializadas numa ampla gama de densidades, promovem um

bom isolamento acústico e térmico e apresentam boas propriedades mecânicas. Os

poliuretanos utilizados em revestimentos e adesivos apresentam estruturas diversificadas, que

vão desde estruturas lineares simples, até estruturas reticuladas muito complexas. As espumas

de poliuretano são amplamente utilizadas em colchoaria (sofás e bancos de automóveis) e os

revestimentos de PU constituem uma excelente alternativa à pele natural.

9.5 O Fenômeno de “Water Treeing”

O fenômeno recebe o nome de arborescência devido ao formato geométrico das

ramificações geradas pelo campo elétrico aplicado em formas de árvores e pode ser dividido

em duas naturezas: arborescências úmidas (water tree) e arborescências elétricas (electrical

tree).

As arborescências úmidas degradam a isolação dos cabos reduzindo a sua rigidez

dielétrica. Surgem devido à ação da umidade e do campo elétrico, tendo como consequência a

difusão de moléculas de água na estrutura do material isolante do cabo. Com a entrada de

água na isolação começam a surgir lentamente canais micrométricos que crescem na mesma

direção do campo elétrico e são compostos por um eixo principal e suas ramificações. O seu

crescimento ocorre sem apresentar descargas detectáveis, e pode surgir devido a problemas

causados durante a fabricação do cabo, como vazios ou imperfeições, no qual o campo

elétrico não é homogêneo.

Levando em conta que as arborescências são um meio dielétrico de maior

permissividade que o meio que está em volta, o seu surgimento modifica a distribuição do

campo elétrico local, fazendo com que aumente no ponto do defeito produzindo a ruptura

dielétrica pontual, ocasionando o crescimento do defeito no isolamento polimérico. Ainda

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quanto maior o teor de água infiltrada no isolamento maior será a permissividade, levando ao

aumento do risco da ocorrência da ruptura dielétrica, uma vez que ela é diretamente

proporcional ao teor de água na isolação.

As arborescências úmidas são classificadas em dois tipos: as “bow tie tree” e as

“vented tree”. As “bow tie tree” possuem a forma de uma gravata, aparecem devido às

impurezas contidas no XLPE enquanto as “ventes tree”, são provenientes da umidade do meio

ambiente. O crescimento das “bow tie tree” ocorre no interior da isolação do cabo a partir das

impurezas encontradas no XLPE e crescem a partir de um ponto central e em sentidos opostos

seguindo a coordenada radial. O crescimento da “vented tree” ocorre a partir da fronteira do

XLPE e das camadas semicondutora interna e externa, fazendo com que a água penetre na

isolação a partir da ação do campo elétrico e são mais nocivas que a “bow tie tree”.

9.6 Processos de reticulação de isolantes

A reticulação polimérica é um processo que ocorre quando cadeias

poliméricas lineares ou ramificadas são interligadas por ligações covalentes, um processo

conhecido como crosslinking ou ligação cruzada, ou seja, ligações entre moléculas lineares

produzindo polímeros tridimensionais com alta massa molar. Com o aumento da reticulação,

a estrutura se torna mais rígida. A vulcanização da borracha é um exemplo de ligação cruzada.

Por causa da ligação cruzada, a cadeia polimérica perde a sua fluidez e, como resultado, deixa

de ser moldada. Tais polímeros são denominados de termorrígidos. O aumento do peso

molecular faz com que esses polímeros sejam insolúveis em água e solúveis em solventes

orgânicos. Um polímero termorrígido pode ser considerado uma macromolécula devido a rede

formada pela interligação das cadeias poliméricas.

O processo de reticulação pode ser feito irradiando-se polímeros com consequente

aumento do peso molecular, podendo formar uma rede tridimensional insolúvel. A reticulação

é a reação predominante na irradiação de poliestireno, polietileno, borrachas naturais e

sintéticas, entre outros. Apresenta efeito benéfico nas propriedades mecânicas de alguns

polímeros e é executada comercialmente para produzir polietileno com estabilidade

aumentada e resistência a escorrer em altas temperaturas, por exemplo. A radiação ionizante,

ao interagir com polímeros, transfere energia aos átomos da cadeia polimérica, provocando

modificações permanentes na sua estrutura físico-química.

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Tais modificações podem resultar na reticulação ou na cisão das cadeias poliméricas,

que são processos simultâneos e concorrentes, e cuja preponderância de um ou outro depende

principalmente da dose de radiação com que foi tratado o material. Uma parte das interações

da radiação com o material polimérico pode também resultar diretamente em transferência de

energia, que não é suficiente para causar ionização, mas resulta diretamente em um estado

eletronicamente excitado. Estas moléculas que se encontram no estado excitado decaem para

o estado fundamental emitindo fosforescência e fluorescência ou por meio de reações

químicas, por quebra heterolítica da ligação produzindo íons, ou por quebra homolítica de

ligações, favorecendo a formação de radicais, onde ocorrerá o processo de reticulação. O grau

de reticulação é proporcional à dose absorvida, sendo independente da intensidade da

radiação.

Além da irradiação, agentes reticulantes como o glutaraldeído podem ser utilizados.

Este agente bifuncional é extensamente utilizado em imobilização e reticulação de proteínas

através de seus grupos aminas residuais, que é um método simples, barato e conveniente para

ligantes sensíveis a pH alcalino. A reticulação normalmente é obtida utilizando-se um excesso

do agente bifuncional que proverá a superfície da matriz grupos diferentes dos grupos iniciais

da mesma. A ligação covalente entre o tais grupos e o grupo aldeído terminal do glutaraldeído

é irreversível e resiste a extremos de pH e temperatura.

Sem atingir o nível das do polietileno, as características elétricas do PEX são, no geral,

boa e permissividade dielétrica com valores baixos; rigidez dielétrica relativamente elevada.

As vantagens decorrentes da reticulação do polietileno são, principalmente, uma melhor

estabilidade térmica e melhores características mecânicas.

Assim, a utilização deste material permite admitir temperaturas máximas da alma

condutora de 90ºC, em regime permanente, de 110ºC a 130ºC (conforme as normas que são

consideradas) em regime de sobre carga e de 250ºC em regime de curto-circuito. É utilizado,

essencialmente como isolante, nas gamas de baixa, média e alta tensão.

9.7 Determinação da espessura de isolação

Com o aumento da degradação no cabo, a corrente de perdas também tende a

aumentar e com isso a resistência do isolamento do cabo diminui. A medida da resistência do

isolamento pode ser utilizada como um indicativo do grau em que a isolação se encontra. Ao

apresentar um valor abaixo dos valores mínimos estabelecidos, este método indica que o

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isolamento está com suas propriedades dielétricas comprometidas. Esse método é

considerado on–line, o que facilita o seu uso em regiões onde não é possível desligar a rede,

mas é um teste que leva muito tempo para ser realizado porque as medidas devem ser

realizadas uma de cada vez.

9.8 O Dimensionamento dos Cabos em Função 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 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 pode 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.

As duas principais solicitações a que a camada da isolação está sujeita são o campo

elétrico (tensão) e a temperatura (corrente).

9.8.1 A 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.

23

9.8.2 A 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. E sua resistência a

agentes químicos em geral e a água é consideravelmente boa;

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 1 indica as temperaturas características das isolações em PVC e EPR.

Tabela 1: Tabela com as temperaturas características das isolações em PVC e EPR.

Temperatura em Regime

(°C)

Temperatura em

Sobrecarga (°C)

Temperatura em curto-

circuito (ºC)

70 100 160

Fonte: SANTOS (2005)

9.9 Cobertura dos condutores elétricos

Além da isolação, os condutores podem ter em sua composição um fino revestimento

de metal ou liga para evitar corrosão do metal e até mesmo a degradação pela presença de

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atmosfera agressiva no ambiente da instalação. O fio estanhado, por exemplo, possui essa

característica.

A cobertura pode ser composta dos mesmos materiais usados na isolação, sendo que o

mais utilizado é o PVC, mas não possui a mesma composição do polímero usado na isolação,

pois não tem função isolante, mas sim de resistência mecânica e/ou química. Também podem

ser usados na cobertura o neoprene e o hypalon, que são geralmente aplicados em cabos para

instalações que exigem desempenhos mecânico e/ou químico específicos, como plataformas

de petróleo.

Em baixa tensão, para aplicações específicas, os condutores ainda podem receber uma

blindagem para proteger o ambiente em que o cabo está instalado contra os “ruídos elétricos”

que o circuito pode gerar ou proteger as veias do cabo contra os “ruídos” existentes no local.

Geralmente são usados materiais metálicos com baixa resistência elétrica, como fitas de

cobre, de alumínio poliéster e tranças de fios de cobre. Os condutores comumente blindados

são aqueles para controle e instrumentação.

Para cabos de média tensão, a blindagem é obrigatória. “A função da blindagem é

fazer com que o cabo se comporte como se fosse um condutor sólido e o campo elétrico fique

confinado no interior do cabo, pois não é possível fazer um condutor solido para média

tensão”, acrescenta Carlos Finck, da Wirex Cable.

9.10 Capas metálicas

Pela sua localização e função, distinguem-se os seguintes dois tipos de revestimentos

metálicos:

I. Écran metálico sobre a camada isolante ou sobre o semicondutor exterior, nos

caos em que este exista;

II. Armadura metálica.

Se o écran tem uma função essencialmente elétrica, a armadura tem uma função

essencialmente mecânica (raramente a armadura desempenha simultaneamente as duas

funções). Seguidamente, serão caracterizados, com mais detalhe, aqueles tipos de

revestimentos.

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9.10.1 Écran Metálico

É realizado em cobre ou alumínio, consistindo num conjunto de fios ou fitas, que são

aplicados helicoidalmente (em hélice), de modo a que nenhum espaço livre seja visível.

Eventualmente pode constituir-se como uma bainha (bainha: revestimento formando um tubo

de matéria contínua). É geralmente ligado à terra.

Permite assegurar o escoamento das correntes capacitivas, bem como das correntes de

curto-circuito – concretamente da componente homopolar da corrente de curto-circuito fase-

terra. Protege contra as perturbações eletromagnéticas no caso de cabos de telecomunicações.

Garante a proteção das pessoas, em caso de perfuração do cabo por um corpo condutor

exterior, já que este é colocado ao potencial da terra (admitindo que o écran está ligado à

terra).

9.10.2 Armadura Metálica

Assegura a proteção mecânica do cabo, quando este está submetido a importantes

esforços transversais (compressão ou choques) ou longitudinais (tração).

Pode, eventualmente, ser utilizada com a função de écran metálico, desde que sejam

tomadas certas disposições no plano elétrico.

Os principais tipos de armaduras usados em cabos multipolares são os seguintes:

I. Armadura em dupla fita de aço, aplicada helicoidalmente;

II. Armadura em fios de aço aplicados helicoidalmente;

III. Armadura em trança de fios de aço (fios cruzados) a usar em aplicações em que

se exige particular flexibilidade.

10. CRITÉRIOS PARA A SELEÇÃO DA SEÇÃO DOS CONDUTORES

Em uma análise a seção dos condutores de um sistema de cabos de energia e de

mencionada com base em um dos seguintes critérios:

• capacidade de condução de corrente

• limite de queda de tensão

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• capacidade de curto-circuito

• dimensionamento econômico

A capacidade de condução decorrente limitada pela máxima temperatura alteração

permissível pela isolação em regime permanente ou em regime de emergência para sistema

que tenha que operar sob contingência.

No casa de sistema primários de média tensão para as extensões usuais das instalações

a queda de tensão em geral resulta bem menor do que os limites admissíveis. No entanto para

efeito de cálculo o seu valor deve ser limitado a 7%.

O critério da capacidade de curto circuito é geralmente predominante para o caso do

suprimento de energia a pequenas cargas em média tensão em sistema com alto nível de curto

circuito.

Além dos critérios convencionais mencionados anteriormente cada vez mais se torna

necessário o uso do critério econômico para desenvolvimento eficaz dos cabos de potência.

O critério econômico leva em consideração o curso das perdas de energia ao longo da

vida útil do sistema de cabos e quase sempre justificam a especificação de uma sessão para o

condutor superior a queda calculada pelos critérios convencionais.

Neste caso um investimento inicial superior à amortizada ao longo da utilização do

sistema de cabos através da conservação de energia decorrente das menores perdas joule.

Cabe esclarecer que para cada tensão de isolamento são previstas nas especificações sessões

nominais de modo que sejam respeitados os gradientes máximos de projeto que determinam a

espessuras da isolação os cabos.

Após análise de cada um dos critérios de seleção deve ser especificada acessar um

para o condutor que atenda a todos os requisitos de avaliação.

11. DADOS BÁSICOS PARA ESPECIFICAÇÃO E PROJETO

Para a seleção do cabo de energia adequado a um sistema específico devem ser

considerados várias informações previas a respeito das condições de serviço:

Condição de operação tensão nominal do sistema U (valor r.m.s entre fases); tensão

máxima do sistema Um (máximo valor r.m.s em três fases em condição de regime normal);

tensão de serviço do sistema US (valor r.m.s entre fases); frequência do sistema; potência

(MVA) a transmitir em regime normal de operação a tensão de serviço; potência (MVA) a

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transmitir em regime de emergência a atenção de serviço vem como o tempo de duração é a

frequência desse tipo de operação; fator de potência da carga; ciclo de cargas típico; máxima

corrente de curto circuito entre fases e para a terra; tempo máximo de atuação dos dispositivos

de proteção; modalidade de aterramento do sistema e no caso de sistemas em que é o neutro

não seja efetivamente aterrado a duração máxima permissível para defeitos que envolvam a

terra; características dos para raios eventualmente existentes; condições de instalação

comprimento e perfil do circuito; detalhes da disposição dos circuitos e modalidades de

ligação do circuito de blindagem; detalhe das condições de instalação para fornecer dados

para a especificação do tipo de material para a proteção externa; profundidade da instalação

no caso de cabos subterrâneos; resistividade térmica do solo no caso de cabos subterrâneos;

temperatura média do local da instalação; detalhes a respeito da vala ou do banco de dutos se

existirem; detalhes de ventilação para cabos instalados ao ar livre ou em galerias; tipos de

exposição à luz solar; detalhes específicos no caso de cabos submarinos.

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12. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5349: Cabos nus de cobre

para fins elétricos – especificações. Rio de Janeiro, 1997. Disponível em:

< http://www.eletronpaineis.com.br/downloads/10.pdf>. Acesso em 08 jun. 2014.

CAVALIN, Geraldo; CERVELIN, Severino. Condutores Elétricos: Dimensionamento e

Instalação. In. _______. Instalações Elétricas Prediais: Conforme Norma NBR 5410:2004.

20. ed. São Paulo: Érica, 2009. p. 221-279.

KÍTOR, Glauber Luciano. Condutividade Elétrica. Infoescola, 2014. Disponível em

< http://www.infoescola.com/fisica/condutividade-eletrica/>. Acesso em 08 jun. 2014.

PAZZINI, Luiz H. Alves. Linhas Elétricas. Faculdades Integradas de São Paulo, São Paulo:

(s. ed.), ( s.d.). Disponível em:

<http://www.engonline.fisp.br/3ano/instalacoes_eletricas/CondutoresEletricos.pdf>. Acesso

em 07 jun. 2014.

SANTOS, J. Neves dos. Condutores e Cabos de Energia. Porto: Universidade do Porto

Faculdade de Engenharia, 2005. Disponível em:

<http://paginas.fe.up.pt/~jns/material_didatico/APONTAMENTOS_CABOS%20de%20Ener

gia_FINAL.pdf>. Acesso em 07 jun. 2014.

TEIXEIRA JÚNIOR, Mário D. da R. Cabos de Energia. 2. ed. São Paulo: Artliber Editora,

2004.