Cabos elétricos

 Condutores

Os materiais atualmente utilizados como condutores elétricos são o cobre e o alumínio. No caso de cabos isolados o cobre tem sido preferido, visto que para transmissão da mesma quantidade de energia deve-se utilizar uma seção de alumínio cerca de 70% maior do que a de cobre, fazendo com que os volumes da isolação e cobertura sejam também acrescidos.

De acordo com as características mecânicas, o cobre pode ser classificado em três categorias de têmpera, ou seja: mole (ou recozido), meio duro e duro, com propriedades distintas, sendo o cobre mole o de menor resistividade e o duro, o de maior resistência mecânica à tração. O cobre mole é recomendável para aplicação geral em condutores isolados ou não, onde se deseja alta condutibilidade e flexibilidade, sendo a resistência à tração fator secundário.

Os Condutores dos cabos de energia podem ser formados por um único fio ou pela reunião de vários fios formando cordas. As cordas são concebidas para chegar-se a diferentes graus de flexibilidade, a qual depende da relação entre a seção total do condutor e a do fio elementar, do passo da corda e do grau de recozimento do material.

De um modo geral, quanto maior for o número de fios componentes, mais flexível será o cabo.

Na sua concepção os condutores podem ter as seguintes construções:

§  Fios e cabos com encordamento simples.

Neste caso o condutor é formado por um único fio ou por duas ou mais camadas concêntricas de fios de mesmo diâmetro em torno de um fio central.

As formações padronizadas para cabos com encordamento normal são:

7 fios   (1+6)

19 fios (1+6+12)

37 fios (1+6+12+18)

61 fios (1+ 6+12+18+24) etc

Ou seja, cada coroa possui um número de fios igual à última acrescida de mais seis.

§  Cabos redondos com encordamento compactado

Após a formação da corda, esta é compactada por uma matriz tornando o diâmetro do cabo resultante significativamente menor, uma vez que os espaços vazios são substancialmente reduzido.

As vantagens decorrentes da construção compacta são inúmeras destacando-se que os cabos isolados terão um menor diâmetro final, permitindo um melhor aproveitamento dos dutos e menores raios de curvatura e, principalmente, devido à diminuição do volume de materiais isolantes e protetores.

§  Condutores Setoriais Compactados.

São normalmente utilizados em cabos multicondutores (três ou quatro condutores) para que se obtenham cabos com menor diâmetro interno.

§  Condutores Redondos com  Encordamento Composto.

       São formados pela reunião de vários condutores previamente encordoados, chamados cochas.

       Esta modalidade de encordoamento é utilizada em cordões que exigem grande flexibilidade devido a sua movimentação contínua durante seu ciclo de operação em condições de uso.

Nos casos de condutores redondo convencional são as seguintes as classes de encordoamento padronizadas pela ABNT.

CLASSE DE ENCORDOAMENTO	APLICAÇÃO
1	Fio circular de seções nominais de 0,5mm2 a 150mm2 (acima de 16mm2 considerados especiais)
2	Cabos de energia em geral circulares compactados ou não até 2000mm2 e condutores não circulares compactados
3	Cabos de energia não compactados circulares de 10 a 185 mm2
4	Cabos flexíveis de 0,5 a 500mm2
5	Cabos flexíveis de 0,5 a 630mm2
6	Cabos flexíveis de 0,5 a 300mm2

No caso de condutores setoriais, anulares e segmentados, a experiência de cada fabricante permite a solução ótima do problema.

Blindagem do Condutor

A blindagem do condutor, constituída por materiais condutores não metálicos (normalmente chamados semicondutores) tem como principais finalidades dar uma forma de perfeitamente cilíndrica ao condutor e eliminar  espaços vazios entre o condutor e a isolação. No caso de um condutor encordoado de um cabo de média ou alta tensão não possuir um recobrimento com material condutor, o campo elétrico assume um forma distorcida, acompanhando a superfície do condutor. Nestas condições, o dielétrico é solicitado de um modo não uniforme, sendo que, em alguns pontos, estas solicitações poderão ultrapassar os limites permissíveis à isolação, resultando em uma depreciação na vida do cabo. Além disto, no caso de dielétricos sólidos, quando da extrusão da isolação diretamente sobre o condutor, poderão surgir bolhas de ar nos locais onde o material isolante não penetrou totalmente entre os fios, e o ar será então ionizado pela ação do campo elétrico e ocorrerão descargas parciais que irão danificar tanto a isolação até a sua perfuração, devido tanto ao bombardeio de elétrons, gerando calor e erosão, quanto ao ataque de ozona.

Em geral, cabos com tensão nominal a partir de 1,8/3 kV possuem condutores blindados.

       No caso de cabos com dielétricos sólidos, a blindagem do condutor, constituída por material condutor não metálico, é aplicada, por extrusão, simultaneamente com a camada isolante.

Materiais Isolantes

Um dos componentes de maior importância de um cabo de energia é a sua isolação. A necessidade crescente de maiores gradientes de serviço, para os cabos modernos, resulta no desenvolvimento tecnológico contínuo, objetivando o aprimoramento dos dielétricos e processos em uso e a criação de novos tipos.

Na escolha do material isolante a ser usado, são determinantes algumas características, tais como:

a)      Elevada rigidez dielétrica perante solicitações a 60 Hz e de impulso (descargas atmosféricas e surtos de manobra);

b)      Baixas perdas dielétricas;

c)      Fácil dissipação de calor e, portanto baixa resistividade térmica;

d)     Resistência ao envelhecimento nas condições de tensão

- Temperatura de serviço desejadas. Espera-se normalmente que os cabos tenham uma vida superior a 20 anos.

e)      Flexibilidade, principalmente nas instalações de equipamentos móveis.

 Dielétricos sólidos

Os dielétricos do tipo sólido podem ser divididos em duas Categorias, segundo o seu comportamento térmico:

-  Termoplástico

-  Termofixo

Estas duas categorias de materiais se distinguem principalmente quanto à sua estabilidade térmica e quanto ao seu processo de fabricação.

 Dielétricos Termoplásticos

Os principais dielétricos do tipo termoplástico atualmente em uso como isolação para cabos de energia são:

-  Polietileno linear (PE)

-  Cloreto de polivinila (PVC)

Os termoplásticos, obtidos diretamente da extrusão do material isolante sobre o condutor, são materiais que quando sujeitos a um aumento gradativo de temperatura mantém seu estado sólido até cerca de 120°C e, a partir daí perdem suas características mecânicas e amolecem até tornarem líquidos. Na prática, os compostos termoplásticos tem sua temperatura de regime normal e transitório limitada para que seja evitada a movimentação relativa do condutor no universo isolante, acarretando uma redução de sua espessura e ocasionando defeito no sistema.

Os compostos de PVC tem se mostrado adequados para a utilização em redes de distribuição em baixa tensão residenciais e industriais devido a sua ótima resistência mecânica e sua estabilidade perante o ataque de agentes químicos.

Já os compostos de polietileno linear (PE) a partir de tensões nominais de 1,8/3 kV tem-se mostrado mais vantajosos do que o PVC devido as suas superiores propriedades dielétricas.

 Dielétricos Termofixos

Os dielétricos termofixos, obtidos a partir da extrusão e vulcanização do material, caracterizam-se por manter seu estado físico mesmo em regimes onde altas temperaturas estão envolvidas, uma vez que quando se eleva sua temperatura além do limite admissível o material se carboniza sem se tornar líquido.

Na prática a temperatura de regime permanente recomendável é de 90°C, sendo que em regime de emergência se permite atingir 130°C e durante transitórios provenientes de curtos-circuitos os termofixos podem suportar, sem se deteriorar, temperaturas de até 250°C.

A excelente estabilidade térmica destes materiais permite que mais potência seja transportada utilizando-se a mesma seção de condutor do que o similar termoplástico e, principalmente, em sistemas onde se tem alto nível de curto-circuito, uma economia global poderá ser obtida com aplicação de isolamento termofixos.

Os principais dielétricos termofixos (vulcanizados) utilizados em cabos de energia são:

-  Polietileno reticulado (XLPE)

-  Borracha etileno propileno (EPR)

O XLPE, além das excelentes propriedades dielétricas, apresenta um baixo fator de potência o que faz com que suas perdas dielétricas sejam mínimas quando comparadas com os demais materiais isolantes. A borracha etileno propileno (EPR) apresenta como propriedades mais importantes a sua alta resistência a descargas parciais e sua boa flexibilidade a frio.

Em particular, o EPR devido a sua boa flexibilidade encontra aplicação como isolação de cabos de controle dos cabos de baixa tensão para a indústria naval e de plataforma de prospecção de petróleo

Os cabos isolados com polietileno reticulado (XLPE) e borracha etileno propileno (EPR), têm sido preferidos como uma alternativa técnico-econômica para a substituição dos cabos de papel impregnado em sistemas de distribuição em baixa, média e alta tensão.

Blindagem da Isolação

A função principal da blindagem da isolação é a de propiciar uma distribuição radial e simétrica de campo elétrico fazendo com que o dielétrico seja uniformemente solicitado. Da mesma forma que a blindagem do condutor, a blindagem da isolação para ser efetiva deverá manter um perfeito contato com a superfície externa da isolação, eliminado assim a possibilidade de bolhas de ar que dariam lugar as descargas parciais. A blindagem da isolação proporciona também uma capacitância uniforme entre o condutor e a terra o que representa uma impedância característica (Zo) uniforme ao longo do cabo evitando pontos com grande concentração de linhas de campo, o que acarreta uma melhor performance perante às solicitações de impulso.

A blindagem da isolação é constituída por meio de uma camada de material condutor não metálico que além de uniformizar o campo elétrico possui condutância suficiente para o transporte das correntes de fuga e capacitavas. A blindagem metálica sobre esta semicondutora é por meio de fitas ou fio de cobre que tem a função de transporte de correntes induzidas ou de curto-circuito.

Em geral os cabos com tensão nominal a partir de 1,8/3 kV possuem blindagem da isolação.

No caso de cabos com dielétricos sólidos a blindagem da isolação pode ter uma das seguintes construções:

-  Material condutor não-metálico, de fácil remoção a frio, obtido, a partir da  extrusão.

-  Aplicação contínua de verniz semicondutor sob fita semicondutora.

A blindagem metálica pode ser formada pela aplicação helicoidal de fitas de cobre sobrepostos ou pela aplicação de fios de cobre.

Para sistema com alto nível de curto-circuito fase-terra é recomendável a especificação de cabos com blindagem de fios de cobre que além de uma maior capacidade de corrente possui impedância praticamente constante ao longo da vida do cabo.

Proteção

Coberturas

Para o núcleo do cabo que é constituído pelas camadas internas, abaixo da cobertura foi determinante na escolha destes materiais as características elétricas, mecânicas e químicas. Nota-se que até o núcleo, as características de resistência a agentes químicos ou mecânicos externos, executando-se casos particulares, não são consideradas em primeiro plano.

É necessário então que em função das condições de instalação, sejam projetadas coberturas como proteção ao núcleo do cabo, em função do meio e dos elementos que mais possam afetar a vida e a integridade do núcleo, mantendo, contudo uma coerência de flexibilidade quando necessário.

Na escolha do material para cobertura a ser usada são fundamentais algumas características, tais como:

a)      Impermeabilidade

b)      Resistência a abrasão, rasgamento e impacto

c)      Inflamabilidade

d)     Baixa emissão de gases durante eventual queima

e)      Estabilidade térmica

f)       Resistência ao ataque de agentes químicos e atmosféricos

g)      Flexibilidade

Dentre os materiais adotados para coberturas em cabos, os seguintes se destacam, devido às suas diferentes performances perante uma particular aplicação:

-         Cloreto de polivinila (PVC)

-         Cloreto de polivinila resistente à chama (PVC-TRC)

-         Polietileno linear (PE)

-         Polietileno Clorossulforado – CSP (Hypalon)

-         Policloroprene (neoprene)

-         Material não halogenado

Armações

No Caso de instalações mais sujeitas a esforços ou danos mecânicos podem ser previstas proteções metálicas adicionais sendo os tipos mais comumente adotados os seguintes:

Armações de fitas de Aço galvanizado

São normalmente utilizadas em cabos múltiplos instalados diretamente no solo onde nenhuma outra proteção contra golpes e esforços transversais é prevista.

Em caso de cabos instalados em túneis e galerias esta modalidade de armação é particularmente adequada à proteção contra ataque de roedores.

Normalmente a armação é protegida contra corrosão por uma cobertura a qual facilita também os serviços de instalação.

No caso de cabos instalados diretamente no solo onde é prevista sua proteção por meio de lajotas de concreto a armação perde sua finalidade. 

Armação com Fios de Aço Galvanizado

São normalmente utilizados em cabos múltiplos instalados em locais pantanosos ou em instalações subaquáticas protegendo o cabo contra esforços longitudinais (tração). Este tipo de armação é também recomendado quando da instalação de cabos na vertical onde o peso do cabo deve ser suportado pela armação.

Armação com Fitas Corrugadas Intertravadas (“Interlocked”)

Este tipo de armação cumpre o mesmo objetivo que a composta por fitas planas, ou seja, proteger o núcleo do cabo contra esforços mecânicos radiais.

No caso de cabos singelos, para se evitar perdas adicionais, são empregados materiais não magnéticos, ou seja, fitas ou fios de bronze caso se deseje proteger contra golpes ou esforços de tração respectivamente.