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.
Material
Condutividade
relativa
ACS (%)
cobre
mole
100
cobre
meio-duro
97,7
cobre
duro
97,2
alumínio
60,6
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 possuiexceções, 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
camadainvisível
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 caracterizarcada uma das classes, o que está indicado na coluna “características”
da tabela 2.
Classe
de encordoamento
Descrição
Característiccas
1
condutores
sólidos (fios)
é
estabelecida uma resistência elétrica máxima a 20ºC em w/km
2
condutores
encordoados, compactados ou não
é
estabelecida uma resistência elétrica máxima de 20ºC em w/km
e um número mínimo de fios no condutor
4,
5 e 6
condutores
flexíveis
é
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.
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.
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)
70
100
160
Temperaturas
Características do PVC
Temperatura em Regime
(°C)
Temperatura em Sobrecarga (°C)
Temperatura
em
curto-circuito (ºC)
90
100
160
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
mecânicas
MB
Nível
de perdas dielétricas
R
Resistência
as intempéries
B
Resistência
a propagação de chama
B
Resistência
ao ozônio
E
Resistência
ao calor
B
Resistência
ao óleo
B
Tabela
4: Principais características do PVC
Ácidos
Solventes
Ácido
acético 50%
Resistência
Total
Álcool
Etílico
Resistência
Limitada
Ácido
Clorídrico 10%
Resistência
Total
Álcool
Metílico
Resistência
Limitada
Ácido
Nítrico 10%
Resistência
Total
Água
- 100%
Resistência
Total
Ácido
Sulfúrico 10%
Resistência
Total
Fenol
Nenhuma
Resistência
Bases
Benzeno
Nenhuma
Resistência
Amoníaco
Resistência
Total
Tolueno
Nenhuma
Resistência
Soda
10%
Resistência
Total
Butanol
Resistência
Limitada
Soda
70%
Resistência
Total
Petróleo
Resistência
Limitada
Sais
Acetona
Nenhuma
Resistência
Cloreto
de Bário
Resistência
Total
Óleo
de transformador
Resistência
Limitada
Dicromato
de Potássio
Resistência
Total
Dicromato
de Sódio
Resistência
Total
Cal
Resistência
Total
Sulfato
de Cobre
Resistência
Total
Tabela
5: Resistência do PVC aos produtos químicos
Características Gerais dos Cabos Elétricos de
Potência em Baixa Tensão
Resistência
à Chama
Um
cabo elétrico pode apresentar um volume significativo de material
combustível na isolação, na cobertura (quando ela existir) e, eventualmente,
em outros componentes. Assim, é importante que, quando da ocorrência
de um incêndio, os cabos não sejam agentes propagadores da chama,
colocando em perigo as pessoas e o patrimônio.
Com
o objetivo de garantir que os cabos sejam resistentes
à chama, eles são ensaiados de modo a comprovar que uma chama
não possa se propagar indevidamente pelo cabo, mesmo em casos de
exposições prolongadas ao fogo.
Para
os cabos isolados em PVC, é previsto o Ensaio
de queima vertical (fogueira), conforme a NBR 6812: trata-se
de submeter um feixe de cabos de 3,5 m de comprimento à chama produzida
por um queimador padrão, durante 40 minutos. Ao final da exposição,
o dano provocado pelo fogo deve estar limitado a um certo comprimento
da amostra ensaiada.
Os condutores isolados que
superam o ensaio de queima vertical são designados por BWF e os cabos unipolares ou multipolares são chamados de resistentes
à chama.
Mais
do que estética, a identificação por cores dos condutores em uma
instalação elétrica tem como finalidade facilitar a execução das
conexões, emendas e todas as intervenções em geral para manutenção.
Além disso, a correta identificação aumenta em muito a segurança das pessoas que lidam com o sistema.
A
norma brasileira de instalações de baixa tensão (NBR 5410/97) faz
recomendações claras a respeito da maneira adequada para se identificar
os componentes em geral e os condutores em particular.
A
seguir, são destacados os itens da Norma Brasileira relativos à
identificação dos condutores.
Condutor
Neutro
"6.1.5.3.1Qualquer 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.