fios e cabos elétricos
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FIOS E CABOS ELÉTRICOS
1. INTRODUÇÃO
Fios e cabos são componentes de grande importância na eletricidade, apresentam
os mais variados tipos, as mais variadas cores, formas e tamanhos. Possuem muitas
aplicações e características iniciando pelo material que o compõe. Neste capítulo será
abordado um resumo desta parte da eletricidade muito extensa, onde o objetivo é
diferenciar e demonstrar as suas aplicações.
2. ESCALAS
As bitolas de seções dos fios e cabos acham-se normalizadas em diferentes
escalas-padrão internacionais, das quais as mais conhecidas são:
American Wire Gauge (AWG) ou Brown & Sharp (B & S) utilizada nos USA (EUA)
Birminghan Wire Gauge (BWG), utilizada nos EUA
Escala milimétrica, utilizada na França, Alemanha, Suécia e adotada no Brasil
Escala de Paris
Standard Wire Gauge (SWG), utilizada na Inglaterra.
No Brasil, em razão da conjuntura do parque industrial, é ainda utilizada a escala
AWG ou B& S, entretanto está sendo substituída pela escala milimétrica. A tabela de
bitolas de fios para transformadores e bobinas inclui a camada de esmalte isolante no
diâmetro, sendo o esmalte o fator que determina a ligeira discrepância nos diâmetros
entre as escalas B & S das tabelas.
As seções retas dos condutores na escala AWG são identificadas por números
arábicos que codificam sua bitola. No exemplo abaixo da escala AWG (Tab. 1), os cabos
estão colocados em ordem decrescente de área de seção reta.
Tab. 1 – Designação dos cabos AWG
Fonte: SHMIDT – 2002
Código de
cabos
Designação
# 4/0 ou 0000 cabo 4 barra zero AWG ou cabo 4 zero
# 3/0 ou 000 cabo 3 barra zero AWG
# 2/0 ou 00 cabo 2 barra zero AWG
# 1/0 ou 0 cabo 1 barra zero AWG
# 1 cabo bitola 1 AWG
... ...
36 fio bitola 36 AWG
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Quanto menor o número identificador, mais grossa é a seção reta do condutor. A
formação da escala AWG baseou-se em uma progressão geométrica (PG), cujos termos
extremos foram considerados os seguintes:
Maior diâmetro existente na época: 0,46’’ (quarenta e seis centésimos da polegada) -
0,46’’ foi considerado o diâmetro do cabo 0000 (ou 4/0) AWG.
Menor diâmetro: 0,005’’ - atribuído ao fio 36 AWG.
Assim a escala possuía na sua criação 40 bitolas. As 38 que se enquadrariam entre
esses limites deveriam estar em progressão geométrica com uma razão constante n.
Assim
39.ndd menormaior Eq. (1)
resolvendo a Eq. 01 acima resulta n = 1,1229322.
Tem-se que n6 = 2,005 2, e assim a cada seis intervalos, o diâmetro na escala
AWG é alterado pelo fator 2.
Posteriormente, criaram-se bitolas até 50 AWG, e foram acrescentadas as bitolas
em circular-mil CM, que é a área de um círculo de diâmetro igual a um milésimo da
polegada. Um MCM significa mil vezes a área de 1 CM. A Tab. 2 relaciona códigos de
bitolas AWG e MCM.
Obs: 1 CM = 5,067. 10-6
cm2.
Algumas tabelas mais completas fornecem as áreas das seções retas, os dados
complementares e as capacidades de corrente de fios e cabos de cobre na escala AWG em
diferentes situações de emprego.
Obs: O fio bitola 10 tem um diâmetro de aproximadamente 0,1 da polegada, uma seção
de 10 MCM e uma resistência de 1 por mil pés a 20 oC (cobre padrão). Observa-se que
para os cabos de seção superior ao 4/0 AWG, usa-se a unidade circular-mil (CM).
3. NÚMERO DE FIOS EM CADA CONDUTOR E LEI DE FORMAÇÃO
Os cabos condutores das diferentes bitolas AWG necessitam, para aumento de sua
flexibilidade e melhoria de sua manipulação, de serem construídos de fios de diâmetro
menores. A referida flexibilidade aumenta com o número de fios de sua formação e com
o material utilizado. O diâmetro d desse fio é obtido em função da seção reta do cabo S e
do número de fios componentes N.
2/1)/(128,1 NSd fio Eq. (2)
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Um cabo tem como um núcleo central um ou três desses fios e sobre os quais são
colocados os demais fios em camadas que se chamam coroas (Fig. 1). Essas coroas vão
sendo sucessivamente enroladas com um formato helicoidal, operação que recebe o nome
de cabeamento. Cada nova coroa tem mais seis fios que a precedente e recebe um
cabeamento em sentido oposto a que a precede.
Tab. 2 – Código de bitolas em uma tabela AWG e cabos em MCM
Fonte: SHMIDT – 2002
Bitolas MCM e AWG
Dados e limites de corrente para condutor de cobre
2000 MCM Possui, ao ar livre, a capacidade de conduzir até 1.405 A
(tabela A.1.11). Seção reta de 1.134 mm2
1000 MCM cabo de um milhão de circular-mil de seção reta
800 MCM cabo de 800 mil circular-mil de seção reta
700 MCM cabo 700.000 circular-mil
600 MCM
500 MCM
400 MCM
300 MCM
250 MCM corrente ao ar livre de 400 A
0000 ou 4/0
000 ou 3/0
00 ou 2/0 corrente ao ar livre de 275 A
0 ou 1/0
1
2 diâmetro de 6,54 mm
6 cabo seis AWG, corrente ao ar livre de 100 A
7 a partir do número 7 a denominação é fio. Fio 7 AWG
... ...
14 corrente ao ar livre de 30 A
... ...
40 fio 40 AWG, diâmetro de 0,08mm
Fig. 1 – Seção transversal de um cabo unifilar de 61 fios com quatro coroas
Fonte: SHMIDT – 2002
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Desse modo têm-se cabos flexíveis de núcleo unifilar ou trifilar. A Tab. 3
relaciona coroas, quantidade de fios por coroas e quantidade de fios de um cabo.
Tab. 3 – Coroas e quantidade de fios de um cabo
Fonte: SHMIDT – 2002
Coroas
Fios p/
Coroa
Fios p/
Cabo
coroa 1 1 1
coroa 2 6 7
coroa 3 12 19
coroa n 6 + (n - 1).6 (*) Eq. 12.3
Desta forma o número total de fios Nf é dado por
fnf NnnN )1(3 Eq. (3)
onde n = número da coroa
Nfn = número de fios do núcleo
A Fig. 2 mostra um cabo com 19 fios onde está indicado em “1” os fios de cobre
de têmpera mole e em “2” o isolamento em PVC.
Fig. 2 – Cabo de 19 fios
Fonte: SHMIDT – 2002
4. DEFINIÇÃO SOBRE CABOS
Até o calibre 6 AWG podemos chamar o condutor de cabo; diâmetro menores
serão tratados de fios. A seguir estão relacionados e caracterizados as diversas
designações dados aos transmissores de corrente elétrica:
Vergalhão: Produto maciço de seção circular produzido por laminação ou extrusão a
quente.
Fio: Produto de qualquer seção maciça obtido a partir de vergalhão por trefilação,
laminação a frio ou ambos.
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Fio nú: Fio sem revestimento.
Fio isolado: Fio revestido de material isolante.
Condutor: Fio ou conjunto de fios não isolados entre si. Pode ser:
Rígido: condutor de seção maciçal
Flexível: condutor formado por um conjunto de fios
Cabo: Conjunto formado por um grupo de fios não isolados entre si, ou por vários fios
ou grupos de fios isolados entre si. Utiliza-se a nomenclatura para bitolas mais grossas
que 6 AWG.
Cabo nú: Condutor maciço ou grupo de fios não isolados entre si, sem revestimento
isolante.
Obs: O cabo nú tem sua aplicação principal em linhas de transmissão de energia ou cabo
terra, e assim mesmo em locais onde não seja prejudicial a segurança ambiental.
Cabo singelo: Grupo de fios não isolados entre si com revestimento isolante.
Cabo múltiplo: Cabo formado por vários fios ou grupo de fios isolados entre si,
estando o conjunto sob uma mesma capa isolante.
Cabo setorial: Cabo múltiplo em que a forma da seção reta de cada componente é um
setor circular, obtido por moldagem em calandras para 180o (dois condutores), 120
o
(três condutores) e 90o (quatro condutores).
Cabo armado: Cabo singelo ou múlitplo, provido de uma armação protetora de aço.
Cabo compactado: É o cabo singelo em que as coroas são encordoadas no mesmo
sentido. A compactação é obtida fazendo-se passar o cabo através de uma calandra,
composta de um certo número de roletes que exercem no conjunto de fios uma pressão
que os molda de forma a serem eliminados praticamente todos os vazios entre os
mesmos. Apesar da compressão, o cabo quase não sofre redução de flexibilidade.
Cabo segmentado: É o conjunto dividido em três ou quatro setores de círculo,
separados entre si por meio de uma parede isolante relativamente delgada. Este tipo
tem sua maior aplicação nos cabos singelos de seções maiores que 5 cm2. Este cabo
reduz consideravelmente as perdas devidas ao efeito pelicular (skin effect).
Cabo anular: Cabo singelo que apresenta o seu núcleo central oco ou preenchido com
material isolante.
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Cordão flexível: Cabos múltiplos com muitos componentes de pequena seção e muito
flexível. Como exemplo temos os cabos telefônicos e fio Drop (par telefônico).
Cordel flexível: São fios bastante flexíveis e de pequena bitola. Fio singelo ou par
singelo muito flexível, pequena seção (às vezes chamado fio flexível trançado ou
paralelo). A Pirelli promoveu comercialmente esses fios como cabinho. Como
exemplos:
- cabinho para fiação de circuitos em chassis ou placa
- cabinho paralelo
- cabinho torcido em espiral (twisted)
- cabinho entrelaçado formando cordoalha (braided)
- fio Drop (par telefônico)
- cabinho radioplastic (Pirelli), flexível, em diversas cores, para rádio, TV etc
Cabos telefônicos: São formados por pares de fios (de bitola AWG), dispostos em
coroas concêntricas, devidamente isolados, formando um conjunto cilíndrico. Sua
tecnologia obedece padrões especiais definidos em normas internacionais e ratificados
pelos órgãos de telecomunicações do país.
Cabo coaxial: Cabo composto de um condutor axial envolvido por outro condutor
(malha), separados por um isolante sólido ou mesmo o ar (Fig. 3). Pode ser do tipo
rígido ou flexível. Sua grande vantagem reside no fato de não apresentar perdas de
potência por indução ou irradiação, além de fornecer uma blindagem para o condutor
central que, desta forma, não recebe indução de sinais ou ruídos externos. São
aplicados em radiofrequência, audiofrequência, telefonia, cabos submarinos, etc.
Como exemplo temos os cabos coaxiais para audiofrequência e radiofrequência.
Fig. 3 – Cabo coaxial
Fonte: SHMIDT – 2002
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Considerando-se constante a diferença de potencial entre o condutor central e a
capa metálica externa, ao longo do comprimento l do cabo (Fig. 4), tem-se a seguinte
expressão para a resistência de isolamento à corrente de fuga radial.
pl
abrR
2
)/ln( Eq. (4)
onde é a resistividade elétrica do meio.
Fig. 4 – Esquema para cálculo de resistência de cabo coaxial
Fonte: SHMIDT – 2002
Cabos rígidos para tração elétrica: Os cabos usados na transmissão de energia CC
ou CA para tração elétrica são rígidos e dotados de ranhuras especiais que facilitam a
tomada de energia por fricção. São normalmente de cobre duro ou bronze com os mais
diversos tipos de perfis (Fig. 5)
Fig. 5 – Cabos rígidos para tração elétrica
Fonte: SHMIDT – 2002
Barras e tubos: Nas estações e subestações geradoras e distribuidoras de energia,
respectivamente, são empregados largamente os condutores tipo barra ou tubo, com
secções devidamente dimensionados para atender o limite de corrente e as imposições
mecânicas da instalação (dureza, resistência à tração, dilatação térmica, etc).
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5. TIPOS DE CABOS DE ENERGIA
A seguir estão relacionados alguns cabelos e energia:
Cabos de energia de cobre eletrolítico de têmpera mole: Dividem-se em:
Para tensões de trabalho inferiores a 600 V (baixa tensão): Cabo singelo ou múltiplo
com isolamento de PVC. Como exemplo cita-se os fios e cabos singelo Pirastic da
Pirelli (diversas cores), fios e cabos múltiplos Duplast e Triplast, cabos Sintenax
(isolamento sintenax), cabo Pirastic antichama (isolamento com composição
antiinflamável).
Para tensões de trabalho ou classe maior que 1.000 V: Cabo singelo ou múltiplo com
isolamento de polietileno e capa protetora de PVC ou neoprene como por exemplo os
cabos Fisec da Ficap.
Cabos de cobre para uso industrial: Tensão de isolamento até 600 V, isolamento
dos fios em borracha sintética, capa de neoprene preta. Como por exemplo cita-se os
cabos Neocord.
Cordão para eletrodomésticos: Cordão com isolamento de PVC (termoplástico).
Cordão para ferro elétrico com isolamento de borracha e capa de raiom.
Cordão para fiação em veículos automotivos: Para ignição cita-se cabos de cobre,
isolante de borracha revestido de algodão. Para iluminação cita-se Autoplastic.
Cordoalha chata de cobre: Cordoalhas chatas de cobre, estanhado ou não, são
condutores empregados em ligações à terra de equipamentos elétricos, principalmente
nos que requerem uma ligação flexível devido às vibrações. São fabricadas em
diferentes larguras e espessuras.
A Fig. 6 mostra a forma de alguns cabos.
Fig. 6 – Aspectos de alguns cabos
Fonte: SHMIDT – 2002
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Efeito do cabeamento helicoidal: Sendo as coroas enroladas em hélice contínua,
alternadamente à direita e a esquerda, tem-se um pequeno aumento de peso e de
resistência ôhmica em relação a um cabo rígido de mesma seção nominal. Um menor
passo para a hélice do cabeamento aumenta a flexibilidade do cabo.
6. ISOLAMENTO DE FIOS E CABOS, BLINDAGEM
A corrente limite ou amperagem dos diferentes condutores fica limitada não
apenas à temperatura suportada pelo isolamento, mas também às condições ambientais de
aplicação do mesmo. A seguir estão relacionados mais tipos de cabos.
Cabos para alta tensão: A constituição, indicada na Fig. 7 está relacionada a seguir:
1 - condutor
2,4 - blindagem semicondutora sobre o condutor
3 - isolamento
5 - blindagem eletrostática (diminuir a irradiação e tornar o campo elétrico
uniforme no isolamento) - complementação dielétrica (em alguns cabos)
6 - cobertura protetora externa (PVC, chumbo, etc)
A blindagem sobre o condutor, constituídas de fitas semicondutoras, tem a
finalidade de controlar o campo elétrico ao seu redor, eliminando as concentrações
desuniformes que tenderiam a danificar o material de isolamento.
Fig. 7 - Componentes básicos de um cabo de energia
Fonte: SHMIDT – 2002
Cabos para baixa tensão: As principais partes constituintes são:
- condutor
- isolamento
- enchimento (eventualmente)
- cobertura protetora externa (capa)
A capa externa de proteção pode ser de PVC ou de chumbo, que oferece melhor
segurança aos cabos sujeitos à umidade.
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Desses elementos, a complementação dielétrica, que visa aumentar a rigidez
dielétrica do cabo, só encontra justificativa nos casos de alta tensão, onde são criados
elevados campos elétricos. A capa externa em BT e AT, é geralmente do mesmo material,
normalmente PVC na cor preta. As características principais dessa cobertura externa são
ação protetora contra agentes químicos, petroquímicos, microorganismos, raios solares,
água doce ou salgado, etc.
A blindagem em fita magnética tem como objetivo distribuir uniformemente o
campo elétrico no interior do cabo, a fim de evitar concentrações sobre o dielétrico, como
também atender a necessidade de se manter restrito ao interior do mesmo.
Especificações para cabos condutores de energia: Especificar é caracterizar
perfeitamente a natureza e aplicabilidade de um cabo. São dados importantes na
especificação:
- tipo de cabo
- tensão de trabalho entre condutores
- bitola do cabo e comprimento
- espécie de trabalho (temperatura de trabalho)
- número de fios condutores
Como exemplo de cabo singelo de saída para subestação (Norma EB-11 - ABNT):
13,2 kV, tipo Fisec (Ficap), bitola 6 AWG flexível, X metros, cabo de enfiação em dutos,
19 fios (unifilar).
Cabos de radiofrequência para comunicação eletrônica: Os cabos para
radiofrequência merecem cuidados especiais de fabricação, tendo em vista a sua
utilização na condução de frequências elevadas. São cabos coaxiais, cujo condutor
externo (blindagem) é feito em cordoalha de cobre estanhado, que envolve o dielétrico
e o condutor principal ou central, também de cobre. A constituição é a seguinte:
- condutor central (cobre nú ou estanhado)
- isolamento (polietileno)
- cordoalha metálica (blindagem e referência)
- capa protetora (PVC, neoprene ou polietileno)
7. NATUREZA DOS ISOLAMENTOS COMERCIAIS
Os isolamentos de cabos, segundo a natureza, classificam-se em:
Isolamento estratificado
Isolamento sólido
O isolamento estratificado, geralmente protegido com uma capa de chumbo, tem
utilização normal acima dos 1.000 V. Como exemplo, cita-se o papel impregnado em
óleo (com ou sem pressão), e o papel com interstícios ocupados com gás sob pressão.
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O isolamento sólido é empregado em todos os níveis de tensão e compreende os
materiais orgânicos naturais e artificiais (polímeros). Os polímeros dividem-se em:
Termoplásticos: Mudam de estado com a temperatura e têm como máxima
temperatura de trabalho, aproximadamente 170 oC.
Termofixos: São mais caros, mais resistentes, carbonizam-se e tornam-se quebradiços
com a temperatura. Apresentam uma temperatura máxima de trabalho de
aproximadamente 250 oC.
Os termoplásticos não são vulcanizados e o enxofre utilizado na vulcanização dos
termofixos ataca o cobre, fazendo-se necessário seu estanhamento.
Como exemplo de isolantes termoplásticos cita-se poliestireno, polietileno (mais
usado m cabos de AT), PVC, borracha etileno-propileno (em cabos de baixa e alta
tensão), náilon, etc.
Como exemplo de termofixos cita-se borracha butílica, borracha EPR, polietileno
reticulado (a melhor rigidez dielétrica), neoprene, borracha, etc.
Em aplicações especiais, utilizam-se como isolamento o amianto, as cerâmicas, o
teflon, o náilon, a ebonite, as fibras orgânicas, etc.
8. CUIDADOS ESPECIAIS COM OS MATERIAIS DE ISOLAMENTO
Os fabricantes de isolamento e capas de proteção para fios e cabos desenvolvem,
na sua manufatura, cuidados especiais que visam dotar esses elements de resistência aos
efeitos abaixo:
Alta temperatura (considerada acima de 100 oC pela Norma do AIEE)
Abrasão
Ação de solventes
Ação da umidade
Ação de fungos
Inflamabilidade (isolamento anti-chama)
Ação combinada do meio ambiente
Perdas dielétricas
Efeito corona
Efeito Corona: Quando a densidade de fluxo e linhas de campo elétrico criado no ar
excede um certo valor, uma luz violeta pálida surge no intervalo entre metais em
presença. Esta descarga é conhecida como Efeito Corona e implica a criação de uma
região de ar ligeiramente ionizada. Quando a diferença de potencial entre os
condutores em presença atinge valores superiores aos de produção de corona, forma-se
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a descarga elétrica abrupta que consiste no rompimento total e destrutivo do meio
isolante (raio ou descarga elétrica).
As perdas resultantes da ocorrência de corona em linhas de transmissão obrigam
os projetistas a cuidados especiais no dimensionamento de chaves de alta tensão,
espeçamento de barramentos e cabos, aumento de raios de curvatura dos cabos na
passagem pelas ferragens de torres.
9. CUIDADOS ESPECIAIS COM O MATERIAL METÁLICO
ENTERRADO
O contato do metal ou liga com o terreno provoca um mecanismo de corrosão que
exige, em certas situações, a aplicação de proteção galvânica. Um dos processos de
proteção é ligas ao longo do material de placas de magnésio que servirão como anodo de
sacrifício, isto é, se corroerão em lugar do material protegido. Um outro processo é a
utilização de uma fonte de corrente contínua que, ligada ao material e à terra, fornecerá os
elétrons necessários ao material para evitar sua corrosão. Ambos os métodos citados
acima envolvem o mesmo princípio de proteção, uma vez que, são fornecidos elétrons ao
metal, de forma que o mesmo se torna catódico, e as reações de corrosão deixam de
ocorrer.
Referências Bibliográficas:
SHMIDT, W. Materiais Elétricos, Isolantes e Magnéticos. Edgard Blucher. São
Paulo. 2002.
VAN VLACK, L. H.. Princípio de Ciência dos Materiais. São Paulo. Edgard
Blucher. 2000