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Introdução aos Fios e Cabos

quinta-feira, 3 de março de 2011

Os cabos elétricos de potência em baixa tensão são os responsáveis pela transmissão de energia em circuitos de até 1000 volts
Os principais componentes de um cabo de potência em baixa tensão são o condutor, a isolação e a cobertura, conforme indicado na figura 1.


Figura 1: Cabo elétrico de potência em baixa tensão típico

Alguns cabos elétricos podem ser dotados apenas de condutor e isolação, sendo chamados então de condutores isolados, enquanto que outros podem possuir adicionalmente a cobertura (aplicada sobre a isolação), sendo chamados de cabos unipolares ou multipolares, dependendo do número de condutores (veias) que possuem. A figura 2 mostra exemplos desses três tipos de condutores elétricos.

Figura 2: Tipos de cabos elétricos de potência em baixa tensão

Os Metais Utilizados como Condutores Elétricos

Em função de suas propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e custos, o cobre e o alumínio são os metais mais utilizados desde os primórdios da indústria de fabricação de fios e cabos elétricos.

A prática nos leva a observar que, quase sempre, as linhas aéreas são construídas em alumínio e as instalações internas são com condutores de cobre. Verificamos ainda que, segundo a norma de instalações elétricas de baixa tensão, a NBR 5410, é proibido o uso de alumínio em instalações residenciais. Por quê essas diferenças entre os dois metais no campo de fios e cabos elétricos?

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

Começamos a entender as diferenças pela condutividade elétrica. Todos os materiais conduzem corrente elétrica de um modo melhor ou pior. O número que expressa a capacidade que um material tem de conduzir a corrente é chamado de condutividade elétrica. Ao contrário, o número que indica a propriedade que os materiais possuem de dificultar a passagem da corrente é chamado de resistividade elétrica.

Segundo a norma “International Annealed Copper Standard” (IACS), adotada em praticamente todos os países, é fixada em 100% a condutividade de um fio de cobre de 1 metro de comprimento com 1 mm2 de seção e cuja resistividade a 20ºC seja de 0,01724 W.mm2/m (a resistividade e a condutividade variam com a temperatura ambiente). Dessa forma, esse é o padrão de condutividade adotado, o que significa que todos os demais condutores, sejam em cobre, alumínio ou outro metal qualquer, têm suas condutividades sempre referidas a aquele condutor. A tabela 1 ilustra essa relação entre condutividades.
MaterialCondutividade Relativa
ACS(%)
Cobre Mole100
Cobre Meio-Duro97,7
Cobre Duro97,2
Alumínio60,6
Tabela 1: Condutividade relativa entre diferentes materiais

A tabela 1 pode ser entendida da seguinte forma: o alumínio, por exemplo, conduz 3,9 % (100 - 60,6) menos corrente elétrica que o cobre mole. Na prática, isso significa que, para conduzir a mesma corrente, um condutor em alumínio precisa ter uma seção aproximadamente, 60 % maior que a de um fio de cobre mole. Ou seja, se tivermos um condutor de 10 mm2 de cobre, seu equivalente em alumínio será de 10 x 1,6= 16 mm2. Dissemos “aproximadamente” porque a relação entre as seções não é apenas geométrica e também depende de alguns fatores que consideram certas condições de fabricação do condutor, tais como eles serem nus ou recobertos, sólidos ou encordoados, etc.
Peso

A densidade do alumínio é de 2,7 g/cm3 e a do cobre de 8,9 g/cm3.

Se calcularmos a relação entre o peso de um condutor de cobre e o peso de um condutor de alumínio, ambos transportando a mesma corrente elétrica, verificamos que, apesar de o condutor de alumínio possuir uma seção cerca de 60% maior, seu peso é da ordem da metade do peso do condutor de cobre.

A partir dessa realidade física, estabeleceu-se uma divisão clássica entre a utilização do cobre e do alumínio nas redes elétricas. Quando o maior problema em uma instalação envolver o peso próprio dos condutores, prefere-se o alumínio por sua leveza. Esse é o caso das linhas aéreas em geral, onde as dimensões de torres e postes e os vãos entre eles dependem diretamente do peso dos cabos por eles sustentados. Por outro lado, quando o principal aspecto não é peso, mas é o espaço ocupado pelos condutores, escolhe-se o cobre por possuir um menor diâmetro. Essa situação é encontrada nas instalações internas, onde os espaços ocupados pelos eletrodutos, eletrocalhas, bandejas e outros são importantes na definição da arquitetura do local.

Deve-se ressaltar que, embora clássica, essa divisão entre a utilização de condutores de cobre e alumínio possui exceções, devendo ser cuidadosamente analisada em cada caso.
Conexões

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 o exercício de pressão suficiente, rompem a camada de óxido. Além disso, quase sempre são empregados compostos que inibem a formação de uma nova camada de óxido, uma vez removida a camada anterior.
A Flexibilidade dos Condutores Elétricos

Um condutor elétrico pode ser constituído por uma quantidade variável de fios, desde um único fio até centenas deles. Essa quantidade de fios determina a flexibilidade do cabo. Quanto mais fios, mais flexível o condutor e vice-versa.

Para identificar corretamente o grau de flexibilidade de um condutor, é definida pelas normas técnicas da ABNT a chamada classe de encordoamento. De acordo com essa classificação apresentada pela NBR NM 280, são estabelecidas seis classes de encordoamento, numeradas de 1 a 6. A norma define ainda como caracterizar cada uma das classes, o que está indicado na coluna “características” da tabela 2.
Classe de encordoamentoDescriçãoCaracterísticcas
1Condutores Sólidos (fios)é estabelecida uma resistência elétrica máxima a 20ºC em w/km
1condutores encordoados, compactados ou nãoé estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20ºC em w/km e um número mínimo de fios no condutor
4, 5 e 6condutores flexíveisé estabelecida uma reistência elétrica máxima de 20ºC em w/km e diâmetro máximo dos fios elementares do condutor
Tabela 2: Classes de encordoamento de condutores elétricos conforme a NBR NM 280

Em relação aos termos utilizados na tabela 2, temos:

Um fio é um produto maciço, composto por um único elemento condutor. Trata-se de uma ótima solução econômica na construção de um condutor elétrico, porém apresenta uma limitação no aspecto dimensional e na reduzida flexibilidade, sendo, em conseqüência, limitado a produtos de pequenas seções (até 16 mm2).
 

Figura 3: Fio

O termo condutor encordoado tem relação com a construção de uma corda, ou seja, partindo-se de uma série de fios elementares, eles são reunidos (torcidos) entre si, formando então o condutor. Essa construção apresenta uma melhor flexibilidade do que o fio. As formações padronizadas de condutores encordoados (cordas) redondos normais são: 7 fios (1+6), 19 fios (1+6+12), 37 fios (1+6+12+18) e assim sucessivamente. Nessa formação, a camada mais externa possui o número de fios da camada anterior mais seis.

Figura 4: Condutor encordoado redondo normal
Um condutor encordoado compactado é uma corda na qual foram reduzidos os espaços entre os fios componentes. Essa redução é realizada por compressão mecânica ou trefilação. O resultado desse processo é um condutor de menor diâmetro em relação ao condutor encordoado redondo normal, porém com menos flexibilidade.

Figura 5: Condutor encordoado compactado
Um condutor flexível é obtido a partir do encordoamento de um grande número de fios de diâmetro reduzido.

Figura 6: Condutor flexível
Observe que a NBR NM 280 estabelece valores de resistência elétrica máxima, número mínimo e diâmetro máximo dos fios que compõem um dado condutor. Isso, na prática, resulta que diferentes fabricantes possuam diferentes construções de condutores para uma mesma seção nominal (por exemplo, 10 mm2). A garantia de que o valor da resistência elétrica máxima não seja ultrapassada está diretamente relacionada à qualidade e à pureza do cobre utilizado na confecção do condutor.
Isolação dos Condutores Elétricos
Histórico

Os primeiros cabos isolados de que se tem notícia datam de 1795, utilizados em uma linha telegráfica na Espanha e eram isolados em papel. Seguiram-se os condutores cobertos por guta percha (uma planta nativa da Índia), os cabos em papel impregnado em óleo, os cabos em borracha natural (início do século XX), em borracha sintética (EPR) e PVC (ambos logo após a Segunda Guerra Mundial).

Embora possuíssem excelentes características isolantes, os cabos isolados em papel foram perdendo aplicações ao longo do tempo, principalmente devido à dificuldade de manuseio durante a sua instalação, sobretudo na realização de emendas e terminações. Isso propiciou a popularização dos cabos com isolações sólidas, tais como o PVC.
Para que Serve a Isolação?

A função básica da isolação é confinar o campo elétrico gerado pela tensão aplicada ao condutor no seu interior. Com isso, é reduzido ou eliminado o risco de choques elétricos e curtos-circuitos.

Podemos comparar a camada isolante de um cabo com a parede de um tubo de água. No caso do tubo, a parede impede que a água saia de seu interior e molhe a área ao seu redor. Da mesma forma, a camada isolante mantém as linhas de campo elétrico (geradas pela tensão aplicada) “presas” sob ela, impedindo que as mesmas estejam presentes no ambiente ao redor do cabo.

No caso do tubo, não pode haver nenhum dano à sua parede, tais como furos e trincas, sob pena de haver vazamento de água. Da mesma forma, não podem haver furos, trincas, rachaduras ou qualquer outro dano à isolação, uma vez que isso poderia significar um “vazamento” de linhas de campo elétrico, com subsequente aumento na corrente de fuga do cabo, o que provocaria aumento no risco de choques, curtos-circuitos e até incêndios.
Principais Características das Isolações Sólidas

De um modo geral, as isolações sólidas possuem uma boa resistência ao envelhecimento em serviço, uma reduzida sensibilidade à umidade e, desde que necessário, podem apresentar um bom comportamento em relação ao fogo. Vejamos a seguir as principais características específicas do composto isolante mais utilizados atualmente: o PVC.
Cloreto de Polivinila (PVC)

• é, na realidade, uma mistura de cloreto de polivinila puro (resina sintética), plastificante, cargas e estabilizantes;

• sua rigidez dielétrica é relativamente elevada, sendo possível utilizar cabos isolados em PVC até a tensão de 6 kV;

• sua resistência a agentes químicos em geral e a água é consideravelmente boa;

• possui boa característica de não propagação de chama.
O Dimensionamento dos Cabos em Função da Isolação

As duas principais solicitações a que a camada da isolação está sujeita são o campo elétrico (tensão) e a temperatura (corrente).
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.
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.

• 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 3 indica as temperaturas características das isolações em PVC e EPR.
Temperatura em Regime (°C)Temperatura em Sobrecarga (°C)Temperatura em curto-circuito (ºC)
70100160

Temperaturas Características do PVC 

Temperatura em Regime (°C)Temperatura em Sobrecarga (°C)Temperatura em curto-circuito (ºC)
70100160
Temperaturas Características do EPR

Cobertura

Em algumas aplicações, é necessário que a isolação seja protegida contra agentes externos tais como impactos, cortes, abrasão, agentes químicos, etc.

Nesses casos, os cabos elétricos são dotados de uma cobertura e são então chamados de cabos unipolares ou multipolares.

A escolha do material de cobertura deve levar em conta os diversos agentes externos, sendo que para aplicações de uso geral, com solicitações externas “normais”, o material mais utilizado como cobertura é o PVC, cujas características principais encontram-se nas tabelas 4 e 5.
Características mecânicasMB
Nível de perdas dielétricasR
Resistência as intempériesB
Resistência a propagação de chamaB
Resistência ao ozônioE
Resistência ao calorB
Resistência ao óleoB
Tabela 4: Principais características do PVC
Resistência ao óleo
Ácido acético 50%Resistência Total
Ácido Clorídrico 10%Resistência Total
Ácido Nítrico 10%Resistência Total
Ácido Sulfúrico 10%Resistência Total
Bases
AmoníacoResistência Total
Soda 10%Resistência Total
Soda 70%Resistência Total
Sais
Cloreto de BárioResistência Total
Dicromato de PotássioResistência Total
Dicromato de SódioResistência Total
CalResistência Total
Sulfato de CobreResistência Total
Solventes
Álcool EtílicoResistência Limitada
Álcool MetílicoResistência Limitada
Água - 100%Resistência Total
FenolNenhuma Resistência
BenzenoNenhuma Resistência
ToluenoNenhuma Resistência
ButanolResistência Limitada
PetróleoResistência Limitada
AcetonaNenhuma Resistência
Óleo de transformadorResistência Limitada
Tabela 5: Resistência do PVC aos produtos químicos

Características Gerais dos Cabos Elétricos de Potência em Baixa Tensão
Resistência à Chama

Um cabo elétrico pode apresentar um volume significativo de material combustível na isolação, na cobertura (quando ela existir) e, eventualmente, em outros componentes. Assim, é importante que, quando da ocorrência de um incêndio, os cabos não sejam agentes propagadores da chama, colocando em perigo as pessoas e o patrimônio.

Com o objetivo de garantir que os cabos sejam resistentes à chama, eles são ensaiados de modo a comprovar que uma chama não possa se propagar indevidamente pelo cabo, mesmo em casos de exposições prolongadas ao fogo.

Para os cabos isolados em PVC, é previsto o Ensaio de queima vertical (fogueira), conforme a NBR 6812: trata-se de submeter um feixe de cabos de 3,5 m de comprimento à chama produzida por um queimador padrão, durante 40 minutos. Ao final da exposição, o dano provocado pelo fogo deve estar limitado a um certo comprimento da amostra ensaiada.

Os condutores isolados que superam o ensaio de queima vertical são designados por BWF e os cabos unipolares ou multipolares são chamados de resistentes à chama.

Mais do que estética, a identificação por cores dos condutores em uma instalação elétrica tem como finalidade facilitar a execução das conexões, emendas e todas as intervenções em geral para manutenção. Além disso, a correta identificação aumenta em muito a segurança das pessoas que lidam com o sistema. A norma brasileira de instalações de baixa tensão (NBR 5410/97) faz recomendações claras a respeito da maneira adequada para se identificar os componentes em geral e os condutores em particular. A seguir, são destacados os itens da Norma Brasileira relativos à identificação dos condutores.
• Condutor Neutro

• "6.1.5.3.1 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar, ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor neutro deve ser identificado conforme essa função. Em caso de identificação por cor, deve usada a cor azul-claro na isolação do condutor isolado ou da veia do cabo multipolar, ou na cobertura do cabo unipolar.

NOTA - A veia com isolação azul-claro de um cabo multipolar pode ser usada para outras funções, que não a de condutor neutro, se o circuito não possuir condutor neutro ou se o cabo possuir um condutor periférico utilizado como neutro."

Observe que a norma não obriga o uso de cores para identificar um condutor, uma vez que ela diz: "Em caso de identificação por cor ....". Em alternativa às cores, podem ser utilizadas gravações numéricas aplicadas na isolação do cabo ou também podem ser empregados sistemas externos de identificação tais como anilhas, adesivos, marcadores, etc.(figura 2).

Outro ponto importante está destacado na Nota anterior, onde se permite o uso da cor azul-clara para outra função apenas no caso da veia de um cabo multipolar. Ou seja, mesmo que uma instalação não possua o neutro, caso se utilizem condutores isolados e/ou cabos unipolares, o azul-claro não poderá ser utilizado em nenhuma hipótese.
• Condutor de Proteção

"6.1.5.3.2 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar, ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor de proteção (PE) deve ser identificado de acordo com essa função. Em caso de identificação por cor, deve ser usada a dupla coloração verde-amarelo (cores exclusivas da função de proteção), na isolação do condutor isolado ou da veia do cabo multipolar, ou na cobertura do cabo unipolar.

NOTA - Na falta da dupla coloração verde-amarelo, admite-se, provisoriamente, o uso da cor verde."

• Nesse caso, não se admite utilizar, sob nenhuma hipótese, as cores verde-amarela e verde para outra função que não a de proteção. Quanto ao termo " admite-se, provisoriamente...", não há nenhuma data limite estabelecida para se eliminar o uso da cor verde como proteção. Aliás, é mais comum encontrar-se no mercado o cabo totalmente verde do que o verde-amarelo
• Condutor PEN

• Trata-se aqui do condutor com dupla função: proteção (PE) e neutro (N). Lembre-se que seu uso ocorre nos sistemas de aterramento tipo TN-C e que há limitações quanto à seção nominal mínima desses condutores (ver item 6.4.6.2 da NBR 5410/97). Sobre a identificação do PEN, temos:

"6.1.5.3.3 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar, ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor PEN deve ser identificado de acordo com essa função. Em caso de identificação por cor, deve ser usada a cor azul-claro, com anilhas verde-amarelo nos pontos visíveis ou acessíveis, na isolação do condutor isolado ou da veia do cabo multipolar, ou na cobertura do cabo unipolar."

Os " pontos visíveis ou acessíveis..." mencionados ocorrem, por exemplo, no interior dos quadros, caixas de passagem e de ligações.
• Condutor Fase

"6.1.5.3.4 Qualquer condutor isolado, cabo unipolar, ou veia de cabo multipolar utilizado como condutor de fase deve ser identificado de acordo com essa função. Em caso de identificação por cor, poderá ser usada qualquer cor, observadas as restrições estabelecidas em 6.1.5.3.1, 6.1.5.3.2 e 6.1.5.3.3.

NOTA - Por razões de segurança, não deve ser usada a cor da isolação exclusivamente amarela, onde existir o risco de confusão com a dupla coloração verde-amarelo, cores exclusivas do condutor de proteção."

Resumidamente, os fases podem ser de qualquer cor, exceto azul-claro, verde ou verde-amarela.

• Coberturas dos Cabos de Baixa Tensão Uni ou Multipolares

Analisando-se os itens anteriores, verificamos que, no caso de identificação por cores, as coberturas dos cabos unipolares devem ser azul-claro para o condutor neutro e PEN, verde ou verde-amarela para o PE e de qualquer outra cor que não as anteriores para os fases

Já para os cabos multipolares, em princípio, a cobertura pode ser de qualquer cor, uma vez que as prescrições referem-se apenas às veias no interior do cabo. Uma recomendação sensata, no entanto, é não se utilizar coberturas de cabos multipolares nas cores azul-clara, verde ou verde-amarela, para que não haja confusão com as funções de neutro e proteção.
Maneiras de Instalar Recomendadas para Cabos de Potência em Baixa Tensão

A instalação de cabos de potência em baixa tensão no Brasil é normalizada pela NBR 5410 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão.

Ela prevê que os cabos devem ser instalados em função do seu tipo construtivo, ou seja, considerando-se se eles são condutores nus, condutores isolados, cabos unipolares ou cabos multipolares, conforme a tabela 6.
Método de Instalação
Tipo de CaboEle-trodutoMol-duraDire-tamente fixadosBadeja escada para cabos prate-leiraSu-porteCalhaDireto (sem fixação)Sobre Isola-dores
Cond. Isolados++---+-+
Cabos Unipolares++++++++
Cabos Multipolares+0+++++0
Condutor Nu-------+
Tabela 6: Escolha do tipo de linha elétrica

Fonte: ipce.com.br
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