Fios e Cabos Eltricos

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    05-Jan-2016

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Fios e Cabos eltricos

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  • 1

    FIOS E CABOS ELTRICOS

    1. INTRODUO

    Fios e cabos so componentes de grande importncia na eletricidade, apresentam

    os mais variados tipos, as mais variadas cores, formas e tamanhos. Possuem muitas

    aplicaes e caractersticas iniciando pelo material que o compe. Neste captulo ser

    abordado um resumo desta parte da eletricidade muito extensa, onde o objetivo

    diferenciar e demonstrar as suas aplicaes.

    2. ESCALAS

    As bitolas de sees dos fios e cabos acham-se normalizadas em diferentes

    escalas-padro internacionais, das quais as mais conhecidas so:

    American Wire Gauge (AWG) ou Brown & Sharp (B & S) utilizada nos USA (EUA)

    Birminghan Wire Gauge (BWG), utilizada nos EUA

    Escala milimtrica, utilizada na Frana, Alemanha, Sucia e adotada no Brasil

    Escala de Paris

    Standard Wire Gauge (SWG), utilizada na Inglaterra.

    No Brasil, em razo da conjuntura do parque industrial, ainda utilizada a escala

    AWG ou B& S, entretanto est sendo substituda pela escala milimtrica. A tabela de

    bitolas de fios para transformadores e bobinas inclui a camada de esmalte isolante no

    dimetro, sendo o esmalte o fator que determina a ligeira discrepncia nos dimetros

    entre as escalas B & S das tabelas.

    As sees retas dos condutores na escala AWG so identificadas por nmeros

    arbicos que codificam sua bitola. No exemplo abaixo da escala AWG (Tab. 1), os cabos

    esto colocados em ordem decrescente de rea de seo reta.

    Tab. 1 Designao dos cabos AWG

    Fonte: SHMIDT 2002

    Cdigo de

    cabos

    Designao

    # 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

  • 2

    Quanto menor o nmero identificador, mais grossa a seo reta do condutor. A

    formao da escala AWG baseou-se em uma progresso geomtrica (PG), cujos termos

    extremos foram considerados os seguintes:

    Maior dimetro existente na poca: 0,46 (quarenta e seis centsimos da polegada) -

    0,46 foi considerado o dimetro do cabo 0000 (ou 4/0) AWG.

    Menor dimetro: 0,005 - atribudo ao fio 36 AWG.

    Assim a escala possua na sua criao 40 bitolas. As 38 que se enquadrariam entre

    esses limites deveriam estar em progresso geomtrica com uma razo 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 dimetro na escala

    AWG alterado pelo fator 2.

    Posteriormente, criaram-se bitolas at 50 AWG, e foram acrescentadas as bitolas

    em circular-mil CM, que a rea de um crculo de dimetro igual a um milsimo da

    polegada. Um MCM significa mil vezes a rea de 1 CM. A Tab. 2 relaciona cdigos de

    bitolas AWG e MCM.

    Obs: 1 CM = 5,067. 10-6

    cm2.

    Algumas tabelas mais completas fornecem as reas das sees retas, os dados

    complementares e as capacidades de corrente de fios e cabos de cobre na escala AWG em

    diferentes situaes de emprego.

    Obs: O fio bitola 10 tem um dimetro de aproximadamente 0,1 da polegada, uma seo

    de 10 MCM e uma resistncia de 1 por mil ps a 20 oC (cobre padro). Observa-se que

    para os cabos de seo superior ao 4/0 AWG, usa-se a unidade circular-mil (CM).

    3. NMERO DE FIOS EM CADA CONDUTOR E LEI DE FORMAO

    Os cabos condutores das diferentes bitolas AWG necessitam, para aumento de sua

    flexibilidade e melhoria de sua manipulao, de serem construdos de fios de dimetro

    menores. A referida flexibilidade aumenta com o nmero de fios de sua formao e com

    o material utilizado. O dimetro d desse fio obtido em funo da seo reta do cabo S e

    do nmero de fios componentes N.

    2/1)/(128,1 NSd fio Eq. (2)

  • 3

    Um cabo tem como um ncleo central um ou trs desses fios e sobre os quais so

    colocados os demais fios em camadas que se chamam coroas (Fig. 1). Essas coroas vo

    sendo sucessivamente enroladas com um formato helicoidal, operao 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 Cdigo 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 at 1.405 A

    (tabela A.1.11). Seo reta de 1.134 mm2

    1000 MCM cabo de um milho de circular-mil de seo reta

    800 MCM cabo de 800 mil circular-mil de seo 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 dimetro de 6,54 mm

    6 cabo seis AWG, corrente ao ar livre de 100 A

    7 a partir do nmero 7 a denominao fio. Fio 7 AWG

    ... ...

    14 corrente ao ar livre de 30 A

    ... ...

    40 fio 40 AWG, dimetro de 0,08mm

    Fig. 1 Seo transversal de um cabo unifilar de 61 fios com quatro coroas

    Fonte: SHMIDT 2002

  • 4

    Desse modo tm-se cabos flexveis de ncleo 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 nmero total de fios Nf dado por

    fnf NnnN )1(3 Eq. (3)

    onde n = nmero da coroa

    Nfn = nmero de fios do ncleo

    A Fig. 2 mostra um cabo com 19 fios onde est indicado em 1 os fios de cobre

    de tmpera mole e em 2 o isolamento em PVC.

    Fig. 2 Cabo de 19 fios

    Fonte: SHMIDT 2002

    4. DEFINIO SOBRE CABOS

    At o calibre 6 AWG podemos chamar o condutor de cabo; dimetro menores

    sero tratados de fios. A seguir esto relacionados e caracterizados as diversas

    designaes dados aos transmissores de corrente eltrica:

    Vergalho: Produto macio de seo circular produzido por laminao ou extruso a

    quente.

    Fio: Produto de qualquer seo macia obtido a partir de vergalho por trefilao,

    laminao a frio ou ambos.

  • 5

    Fio n: Fio sem revestimento.

    Fio isolado: Fio revestido de material isolante.

    Condutor: Fio ou conjunto de fios no isolados entre si. Pode ser:

    Rgido: condutor de seo macial

    Flexvel: condutor formado por um conjunto de fios

    Cabo: Conjunto formado por um grupo de fios no isolados entre si, ou por vrios fios

    ou grupos de fios isolados entre si. Utiliza-se a nomenclatura para bitolas mais grossas

    que 6 AWG.

    Cabo n: Condutor macio ou grupo de fios no isolados entre si, sem revestimento

    isolante.

    Obs: O cabo n tem sua aplicao principal em linhas de transmisso de energia ou cabo

    terra, e assim mesmo em locais onde no seja prejudicial a segurana ambiental.

    Cabo singelo: Grupo de fios no isolados entre si com revestimento isolante.

    Cabo mltiplo: Cabo formado por vrios fios ou grupo de fios isolados entre si,

    estando o conjunto sob uma mesma capa isolante.

    Cabo setorial: Cabo mltiplo em que a forma da seo reta de cada componente um

    setor circular, obtido por moldagem em calandras para 180o (dois condutores), 120

    o

    (trs condutores) e 90o (quatro condutores).

    Cabo armado: Cabo singelo ou mlitplo, provido de uma armao protetora de ao.

    Cabo compactado: o cabo singelo em que as coroas so encordoadas no mesmo

    sentido. A compactao obtida fazendo-se passar o cabo atravs de uma calandra,

    composta de um certo nmero de roletes que exercem no conjunto de fios uma presso

    que os molda de forma a serem eliminados praticamente todos os vazios entre os

    mesmos. Apesar da compresso, o cabo quase no sofre reduo de flexibilidade.

    Cabo segmentado: o conjunto dividido em trs ou quatro setores de crculo,

    separados entre si por meio de uma parede isolante relativamente delgada. Este tipo

    tem sua maior aplicao nos cabos singelos de sees maiores que 5 cm2. Este cabo

    reduz consideravelmente as perdas devidas ao efeito pelicular (skin effect).

    Cabo anular: Cabo singelo que apresenta o seu ncleo central oco ou preenchido com

    material isolante.

  • 6

    Cordo flexvel: Cabos mltiplos com muitos componentes de pequena seo e muito

    flexvel. Como exemplo temos os cabos telefnicos e fio Drop (par telefnico).

    Cordel flexvel: So fios bastante flexveis e de pequena bitola. Fio singelo ou par

    singelo muito flexvel, pequena seo (s vezes chamado fio flexvel tranado ou

    paralelo). A Pirelli promoveu comercialmente esses fios como cabinho. Como

    exemplos:

    - cabinho para fiao de circuitos em chassis ou placa

    - cabinho paralelo

    - cabinho torcido em espiral (twisted)

    - cabinho entrelaado formando cordoalha (braided)

    - fio Drop (par telefnico)

    - cabinho radioplastic (Pirelli), flexvel, em diversas cores, para rdio, TV etc

    Cabos telefnicos: So formados por pares de fios (de bitola AWG), dispostos em

    coroas concntricas, devidamente isolados, formando um conjunto cilndrico. Sua

    tecnologia obedece padres especiais definidos em normas internacionais e ratificados

    pelos rgos de telecomunicaes do pas.

    Cabo coaxial: Cabo composto de um condutor axial envolvido por outro condutor

    (malha), separados por um isolante slido ou mesmo o ar (Fig. 3). Pode ser do tipo

    rgido ou flexvel. Sua grande vantagem reside no fato de no apresentar perdas de

    potncia por induo ou irradiao, alm de fornecer uma blindagem para o condutor

    central que, desta forma, no recebe induo de sinais ou rudos externos. So

    aplicados em radiofrequncia, audiofrequncia, telefonia, cabos submarinos, etc.

    Como exemplo temos os cabos coaxiais para audiofrequncia e radiofrequncia.

    Fig. 3 Cabo coaxial

    Fonte: SHMIDT 2002

  • 7

    Considerando-se constante a diferena de potencial entre o condutor central e a

    capa metlica externa, ao longo do comprimento l do cabo (Fig. 4), tem-se a seguinte

    expresso para a resistncia de isolamento corrente de fuga radial.

    pl

    abrR

    2

    )/ln( Eq. (4)

    onde a resistividade eltrica do meio.

    Fig. 4 Esquema para clculo de resistncia de cabo coaxial

    Fonte: SHMIDT 2002

    Cabos rgidos para trao eltrica: Os cabos usados na transmisso de energia CC

    ou CA para trao eltrica so rgidos e dotados de ranhuras especiais que facilitam a

    tomada de energia por frico. So normalmente de cobre duro ou bronze com os mais

    diversos tipos de perfis (Fig. 5)

    Fig. 5 Cabos rgidos para trao eltrica

    Fonte: SHMIDT 2002

    Barras e tubos: Nas estaes e subestaes geradoras e distribuidoras de energia,

    respectivamente, so empregados largamente os condutores tipo barra ou tubo, com

    seces devidamente dimensionados para atender o limite de corrente e as imposies

    mecnicas da instalao (dureza, resistncia trao, dilatao trmica, etc).

  • 8

    5. TIPOS DE CABOS DE ENERGIA

    A seguir esto relacionados alguns cabelos e energia:

    Cabos de energia de cobre eletroltico de tmpera mole: Dividem-se em:

    Para tenses de trabalho inferiores a 600 V (baixa tenso): Cabo singelo ou mltiplo

    com isolamento de PVC. Como exemplo cita-se os fios e cabos singelo Pirastic da

    Pirelli (diversas cores), fios e cabos mltiplos Duplast e Triplast, cabos Sintenax

    (isolamento sintenax), cabo Pirastic antichama (isolamento com composio

    antiinflamvel).

    Para tenses de trabalho ou classe maior que 1.000 V: Cabo singelo ou mltiplo 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: Tenso de isolamento at 600 V, isolamento

    dos fios em borracha sinttica, capa de neoprene preta. Como por exemplo cita-se os

    cabos Neocord.

    Cordo para eletrodomsticos: Cordo com isolamento de PVC (termoplstico).

    Cordo para ferro eltrico com isolamento de borracha e capa de raiom.

    Cordo para fiao em veculos automotivos: Para ignio cita-se cabos de cobre,

    isolante de borracha revestido de algodo. Para iluminao cita-se Autoplastic.

    Cordoalha chata de cobre: Cordoalhas chatas de cobre, estanhado ou no, so

    condutores empregados em ligaes terra de equipamentos eltricos, principalmente

    nos que requerem uma ligao flexvel devido s vibraes. So fabricadas em

    diferentes larguras e espessuras.

    A Fig. 6 mostra a forma de alguns cabos.

    Fig. 6 Aspectos de alguns cabos

    Fonte: SHMIDT 2002

  • 9

    Efeito do cabeamento helicoidal: Sendo as coroas enroladas em hlice contnua,

    alternadamente direita e a esquerda, tem-se um pequeno aumento de peso e de

    resistncia hmica em relao a um cabo rgido de mesma seo nominal. Um menor

    passo para a hlice do cabeamento aumenta a flexibilidade do cabo.

    6. ISOLAMENTO DE FIOS E CABOS, BLINDAGEM

    A corrente limite ou amperagem dos diferentes condutores fica limitada no

    apenas temperatura suportada pelo isolamento, mas tambm s condies ambientais de

    aplicao do mesmo. A seguir esto relacionados mais tipos de cabos.

    Cabos para alta tenso: A constituio, indicada na Fig. 7 est relacionada a seguir:

    1 - condutor

    2,4 - blindagem semicondutora sobre o condutor

    3 - isolamento

    5 - blindagem eletrosttica (diminuir a irradiao e tornar o campo eltrico

    uniforme no isolamento) - complementao dieltrica (em alguns cabos)

    6 - cobertura protetora externa (PVC, chumbo, etc)

    A blindagem sobre o condutor, constitudas de fitas semicondutoras, tem a

    finalidade de controlar o campo eltrico ao seu redor, eliminando as concentraes

    desuniformes que tenderiam a danificar o material de isolamento.

    Fig. 7 - Componentes bsicos de um cabo de energia

    Fonte: SHMIDT 2002

    Cabos para baixa tenso: As principais partes constituintes so:

    - condutor

    - isolamento

    - enchimento (eventualmente)

    - cobertura protetora externa (capa)

    A capa externa de proteo pode ser de PVC ou de chumbo, que oferece melhor

    segurana aos cabos sujeitos umidade.

  • 10

    Desses elementos, a complementao dieltrica, que visa aumentar a rigidez

    dieltrica do cabo, s encontra justificativa nos casos de alta tenso, onde so criados

    elevados campos eltricos. A capa externa em BT e AT, geralmente do mesmo material,

    normalmente PVC na cor preta. As caractersticas principais dessa cobertura externa so

    ao protetora contra agentes qumicos, petroqumicos, microorganismos, raios solares,

    gua doce ou salgado, etc.

    A blindagem em fita magntica tem como objetivo distribuir uniformemente o

    campo eltrico no interior do cabo, a fim de evitar concentraes sobre o dieltrico, como

    tambm atender a necessidade de se manter restrito ao interior do mesmo.

    Especificaes para cabos condutores de energia: Especificar caracterizar

    perfeitamente a natureza e aplicabilidade de um cabo. So dados importantes na

    especificao:

    - tipo de cabo

    - tenso de trabalho entre condutores

    - bitola do cabo e comprimento

    - espcie de trabalho (temperatura de trabalho)

    - nmero de fios condutores

    Como exemplo de cabo singelo de sada para subestao (Norma EB-11 - ABNT):

    13,2 kV, tipo Fisec (Ficap), bitola 6 AWG flexvel, X metros, cabo de enfiao em dutos,

    19 fios (unifilar).

    Cabos de radiofrequncia para comunicao eletrnica: Os cabos para

    radiofrequncia merecem cuidados especiais de fabricao, tendo em vista a sua

    utilizao na conduo de frequncias elevadas. So cabos coaxiais, cujo condutor

    externo (blindagem) feito em cordoalha de cobre estanhado, que envolve o dieltrico

    e o condutor principal ou central, tambm de cobre. A constituio a seguinte:

    - condutor central (cobre n ou estanhado)

    - isolamento (polietileno)

    - cordoalha metlica (blindagem e referncia)

    - capa protetora (PVC, neoprene ou polietileno)

    7. NATUREZA DOS ISOLAMENTOS COMERCIAIS

    Os isolamentos de cabos, segundo a natureza, classificam-se em:

    Isolamento estratificado

    Isolamento slido

    O isolamento estratificado, geralmente protegido com uma capa de chumbo, tem

    utilizao normal acima dos 1.000 V. Como exemplo, cita-se o papel impregnado em

    leo (com ou sem presso), e o papel com interstcios ocupados com gs sob presso.

  • 11

    O isolamento slido empregado em todos os nveis de tenso e compreende os

    materiais orgnicos naturais e artificiais (polmeros). Os polmeros dividem-se em:

    Termoplsticos: Mudam de estado com a temperatura e tm como mxima

    temperatura de trabalho, aproximadamente 170 oC.

    Termofixos: So mais caros, mais resistentes, carbonizam-se e tornam-se quebradios

    com a temperatura. Apresentam uma temperatura mxima de trabalho de

    aproximadamente 250 oC.

    Os termoplsticos no so vulcanizados e o enxofre utilizado na vulcanizao dos

    termofixos ataca o cobre, fazendo-se necessrio seu estanhamento.

    Como exemplo de isolantes termoplsticos cita-se poliestireno, polietileno (mais

    usado m cabos de AT), PVC, borracha etileno-propileno (em cabos de baixa e alta

    tenso), nilon, etc.

    Como exemplo de termofixos cita-se borracha butlica, borracha EPR, polietileno

    reticulado (a melhor rigidez dieltrica), neoprene, borracha, etc.

    Em aplicaes especiais, utilizam-se como isolamento o amianto, as cermicas, o

    teflon, o nilon, a ebonite, as fibras orgnicas, etc.

    8. CUIDADOS ESPECIAIS COM OS MATERIAIS DE ISOLAMENTO

    Os fabricantes de isolamento e capas de proteo para fios e cabos desenvolvem,

    na sua manufatura, cuidados especiais que visam dotar esses elements de resistncia aos

    efeitos abaixo:

    Alta temperatura (considerada acima de 100 oC pela Norma do AIEE)

    Abraso

    Ao de solventes

    Ao da umidade

    Ao de fungos

    Inflamabilidade (isolamento anti-chama)

    Ao combinada do meio ambiente

    Perdas dieltricas

    Efeito corona

    Efeito Corona: Quando a densidade de fluxo e linhas de campo eltrico criado no ar

    excede um certo valor, uma luz violeta plida surge no intervalo entre metais em

    presena. Esta descarga conhecida como Efeito Corona e implica a criao de uma

    regio de ar ligeiramente ionizada. Quando a diferena de potencial entre os

    condutores em presena atinge valores superiores aos de produo de corona, forma-se

  • 12

    a descarga eltrica abrupta que consiste no rompimento total e destrutivo do meio

    isolante (raio ou descarga eltrica).

    As perdas resultantes da ocorrncia de corona em linhas de transmisso obrigam

    os projetistas a cuidados especiais no dimensionamento de chaves de alta tenso,

    espeamento de barramentos e cabos, aumento de raios de curvatura dos cabos na

    passagem pelas ferragens de torres.

    9. CUIDADOS ESPECIAIS COM O MATERIAL METLICO

    ENTERRADO

    O contato do metal ou liga com o terreno provoca um mecanismo de corroso que

    exige, em certas situaes, a aplicao de proteo galvnica. Um dos processos de

    proteo ligas ao longo do material de placas de magnsio que serviro como anodo de

    sacrifcio, isto , se corroero em lugar do material protegido. Um outro processo a

    utilizao de uma fonte de corrente contnua que, ligada ao material e terra, fornecer os

    eltrons necessrios ao material para evitar sua corroso. Ambos os mtodos citados

    acima envolvem o mesmo princpio de proteo, uma vez que, so fornecidos eltrons ao

    metal, de forma que o mesmo se torna catdico, e as reaes de corroso deixam de

    ocorrer.

    Referncias Bibliogrficas:

    SHMIDT, W. Materiais Eltricos, Isolantes e Magnticos. Edgard Blucher. So

    Paulo. 2002.

    VAN VLACK, L. H.. Princpio de Cincia dos Materiais. So Paulo. Edgard

    Blucher. 2000

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