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Engenheiro de Elétrica
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Engenheiro de Elétrica
CABOS DE ENERGIA
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É proibida a reprodução total ou parcial, por quaisquer meios, bem como a produção de apostilas, sem autorização
prévia, por escrito, da Petróleo Brasileiro S.A. – PETROBRAS.
Direitos exclusivos da PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.
TEIXEIRA JUNIOR, Mario Daniel da Rocha
Engenheiro Eletricista, MDR Consultoria, Rio de Janeiro, 2007.
39 p.:il.
PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.
Av. Almirante Barroso, 81 – 17º andar – Centro CEP: 20030-003 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil
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INDICE Apresentação..................................................................................................... 08 UNIDADE I – TECNOLOGIA.............................................................................. 09
1.1 Introdução............................................................................................... 09 1.2 Condutores............................................................................................. 10 1.3 Bloqueio do condutor.............................................................................. 15 1.4 Blindagem do condutor........................................................................... 16 1.5 Materiais isolantes.................................................................................. 17 1.6 Isolações poliméricas.............................................................................. 18 1.7 Blindagem da isolação............................................................................ 32 1.8 A blindagem do cabo sob o ponto de vista das interferências................ 34 1.9 Bloqueio da blindagem............................................................................ 34 1.10 Coberturas............................................................................................. 34 1.11 Capas metálicas.................................................................................... 37 1.12 Armações.............................................................................................. 38
UNIDADE II – CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO...................................... 40
2.1 Introdução................................................................................................ 40 2.2 Dados básicos para especificação e projeto............................................ 40 2.3 Critérios para seleção da seção dos condutores...................................... 41 2.4 Capacidade de condução de corrente...................................................... 42 2.5 Cálculo da Queda de Tensão................................................................... 43 2.6 Determinação dos Parâmetros Elétricos.................................................. 44 2.7 Capacidade de Curto-Circuito.................................................................. 52 2.8 Critérios de Seleção da Tensão de Isolamento........................................ 55
UNIDADE III – INSTALAÇÃO.............................................................................. 57
3.1 Introdução................................................................................................. 57 3.2 Aspectos Gerais das Instalações em Dutos Subterrâneos....................... 58 3.3 Aspectos Gerais da Instalação de Cabos Diretamente no Solo............... 64 3.4. Ensaios do Dielétrico antes e após a Instalação.................................... 67
UNIDADE IV – ACESSÓRIOS............................................................................. 70
4.1 Introdução................................................................................................. 70 4.2 Considerações Básicas para Terminais.................................................... 70 4.3 Métodos de Controle de Campo Elétrico para Terminais......................... 71 4.4 Concepção dos Terminais com Fita para uso interno.............................. 75 4.5 Concepção dos Terminais de Porcelana................................................. 76 4.6 Concepção dos Terminais Poliméricos.................................................... 76 4.7 Considerações básicas para Emendas.................................................... 80 4.8 Configuração do Campo Elétrico em Emendas Convencionais............... 81 4.9 Emendas com Campo Elétrico Defletido.................................................. 82 4.10 Emendas com Alívio Resistivo Não Linear............................................. 83 4.11 Emendas Pré-Moldadas......................................................................... 85
5 Referências....................................................................................................... 86
5
LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 - Características Construtivas …………………….…………………............................ 09
Figura 1.2 - Fios e Cabos com Encordoamento Concêntrico...................................................... 13
Figura 1.3 - Cabos Redondos com Encordoamento Compacto.................................................. 13
Figura 1.4 - Condutores Setoriais................................................................................................ 14
Figura 1.5 - Condutores com Encordoamento Composto........................................................... 14
Figura 1.6 - Condutores Segmentados....................................................................................... 15
Figura 1.7 - Efeito da Blindagem do Condutor............................................................................. 16
Figura 1.8 - Cabo Protegido com XLPE para 15 kV..................................................................... 22
Figura 1.9 - Cabo WTR (Water Treeing Resistant) ( 7 )............................................................... 23
Figura 1.10 - Cabo BCS 204ºC para bombeio de petróleo......................................................... 23
Figura 1.11 - Estruturas do “Water Treeing”.............................................................................. 24
Figura 1.12 - “Bow-tie tree”.......................................................................................................... 25
Figura 1.13 - “Vented tree”........................................................................................................... 25
Figura 1.14 - Rigidez Dielétrica Cabos Envelhecidos (9)............................................................. 25
Figura 1.15 - Retenção da Rigidez Dielétrica - Cabos Envelhecidos em Serviço (10)............... 26
Figura 1.16 -Representação Esquemática Sistema de Reticulação Química.............................. 27
Figura 1.17 - Reticulação Química do XLPE.............................................................................. 28
Figura 1.18 - Reticulação do XLPE por Silano............................................................................. 29
Figura 1.19 - Gradientes em Função de Seção do Condutor.................................................... . 31
Figura 1.20 - Gradientes em Função da Tensão de Isolamento................................................ 31
Figura 1.21 - Efeito da Blindagem da Isolação........................................................................... 32
Figura 1.22 - Cabo Armado Com Fitas Planas........................................................................... 38
Figura 1.23 - Cabo Armado com Fios de Aço............................................................................. 39
Figura 1.24 - Cabo com Armação “Interlocked”.......................................................................... 39
Figura 2.1 - Modelo Sistema do Cálculo da Queda de Tensão................................................... 43
Figura 2.2 - Diagrama Vetorial..................................................................................................... 44
Figura 2.3 - Diagrama para circuito de seqüência zero............................................................... 52
Figura 3.1 - Projeto da Vala......................................................................................................... 65
Figura 3.2 - Puxamento sobre roletes......................................................................................... 66
Figura 3.3 - Dimensionamento da Vala....................................................................................... 66
Figura 4.1 - Linhas de campo elétrico na interrupção da blindagem.......................................... 71
Figura 4.2 - Método de Alívio Capacitivo.................................................................................... 72
Figura 4.3 - Método de Alívio Dielétrico...................................................................................... 73
Figura 4.4 - Método de Alívio Resistivo Não Linear.................................................................... 74
6
Figura 4.5 - Terminação FTR (24)............................................................................................... 75
Figura 4.6 - Terminal FTM (24)..................................................................................................... 76
Figura 4.7 - Terminal SOT “Slip-Over” (24)................................................................................... 77
Figura 4.8 - Conector torquimétrico e Suporte Modular em Terminal polimérico (24).................. 78
Figura 4.9 - Terminal Desconectável tipo “Elbow” (24)................................................................. 79
Figura 4.10 - Emenda Convencional............................................................................................. 81
Figura 4.11 - Emenda com Campo Defletido................................................................................ 82
Figura 4.12 - Linhas Equipotenciais.............................................................................................. 82
Figura 4.13 - Emenda com Alívio Resistivo Não Linear (24)........................................................ 83
Figura 4.14 - Emenda Sikronil - Circuito elétrico esquemático..................................................... 83
Figura 4.15 - Emendas FR - Alívio Resistivo Não Linear (24)...................................................... 84
Figura 4.16 - Emenda SOJ “Slip-Over” (24)................................................................................. 85
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LISTA DE TABELAS Tabela 1.1 - Propriedades do cobre e alumínio.............................................................................. 10
Tabela 1.2 - Propriedades cobre meio duro e duro ........................................................................ 11
Tabela 1.3 - Fios de cobre mole: propriedades mecânicas (1)....................................................... 11
Tabela 1.4 - Resistência à tração dos fios de alumínio - têmpera H19 (2)..................................... 12
Tabela 1.5 - Resistência à tração dos fios de alumínio têmperas H16, H14 e O (2)...................... 12
Tabela 1.6 - Características da Isolação......................................................................................... 18
Tabela 1.7 - Cristalinidade do Polímero........................................................................................... 22
Tabela 1.8 - Características para coberturas................................................................................... 35
Tabela 1.9 - Classificação das Coberturas....................................................................................... 36
Tabela 2.1 - Resistência Elétrica do Condutor................................................................................. 45
Tabela 2.2 - Resistividade do Solo................................................................................................... 51
Tabela 2.3 - Temperatura do Condutor ........................................................................................... 54
Tabela 2.4 - Tensão de Isolamento do Sistema............................................................................... 56
Tabela 3.1 - Diâmetro do duto.......................................................................................................... 59
Tabela 3.2 - Raio mínimo de curvatura............................................................................................ 60
Tabela 3.3 - Ensaios após a instalação............................................................................................ 68
Tabela 3.4 - Ensaios de manutenção............................................................................................... 69
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APRESENTAÇÃO Este texto é especialmente recomendado para aqueles que atuam na área de sistemas elétricos com cabos de
potência. O texto tem abordagem simples e esclarecedora permitindo a iniciação nos temas relacionados ou na
aplicação direta dos conceitos apresentados.
Este texto foi baseado no livro Cabos de Energia (20).
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UNIDADE I - TECNOLOGIA
1.1 Introdução Os cabos de energia são caracterizados por quatro elementos básicos, ou sejam:
⋅ condutor ⋅ sistema dielétrico ⋅ blindagem metálica ⋅ proteção externa
Figura 1.1 - Características Construtivas
O condutor, elemento de transporte da energia elétrica, pode ser único no caso de cabos singelos (unipolares) ou
múltiplos no caso de cabos multipolares.
O sistema dielétrico pode ser simples e constituído apenas pela isolação no caso de cabos de baixa tensão ou
composto pela blindagem do condutor - isolação - blindagem da isolação, no caso de cabos de média ou alta
tensão.
A blindagem metálica pode ser utilizada objetivando proteger os condutores de um cabo de controle contra
interferência, principalmente, eletromagnéticas, ou servir como um condutor para o transporte das correntes de
carga capacitiva e de curto-circuito do sistema, no caso de cabos de média ou alta tensão.
A proteção externa pode ser simples, constituída apenas por uma camada extrudada, ou por uma combinação de
reforços mecânicos, seja por fios, fitas metálicas ou mesmo por capas metálicas.
A estrutura construtiva do cabo vai depender fundamentalmente da sua tensão de isolamento, aplicação e
utilização.
Nas seções seguintes serão descritos os elementos construtivos dos cabos de energia com ênfase à sua
finalidade e requisitos.
10
1.2 Condutores Os materiais normalmente utilizados como condutores elétricos são o cobre e o alumínio. A seleção do material
condutor leva em conta a capacidade de condução de corrente (ampacidade), limitações de dimensões, custo e,
algumas vezes a massa do cabo.
Os condutores de cobre têm o seu uso mais generalizado, devido às suas superiores características elétricas e
mecânicas. Principalmente para fios e cabos isolados para baixa tensão aonde requisitos de facilidade e
segurança para as conexões são requeridos.
Para o setor de Transmissão e Distribuição Aérea de Energia, o alumínio é genericamente utilizado
principalmente devido à sua menor massa e custo.
No caso de cabos isolados, o diferencial de custo é algumas vezes absorvido pelos materiais de isolação,
blindagem e proteção. Para a transmissão de mesma quantidade de energia, é necessário utilizar uma seção de
alumínio cerca de 70% maior do que a de cobre, implicando em um acréscimo de volume dos materiais para
isolação, eventual blindagem e de proteção.
Tabela 1.1 - Propriedades do cobre e alumínio
Material Densidade
(g/cm3) Resistividade
(Ohm.mm2/km) COBRE 8,890 17,241
ALUMÍNIO 2,703 28,264 Para a mesma resistência elétrica resulta:
RAL = 28,264 LoSAL
RCU = 17,241 LoSCU
RAL = RCU
28,264SAL
17,241SCU
=
SAL = SCU 28,26417,241
SAL = 1,64 SCU
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 de maior resistência mecânica à tração.
A resistividade elétrica a 20ºC para fios de cobre têmpera mole é de 0,017241Ω.mm2 /m correspondendo a 100%
IACS de condutividade.
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Tabela 1.2 - Propriedades cobre meio duro e duro
Diâmetro do fio
(mm) Resistividade (Ω.mm2/m)
Meio duro e Duro
Condutividade ( % )
Meio duro e Duro
≥ 1,024 ≤ 8,252
0,017837
0,017930
96,66
96,16 > 8,252
≤ 11,684 0,017654
0,017745
97,66
97,16
O cobre meio duro é normalmente utilizado para fios e cabos nus aplicados a redes aéreas, onde se necessita
alta resistência à tração sem ser necessária flexibilidade. Pode ser ainda utilizado em malhas de aterramento ou
como condutor de proteção.
O cobre têmpera mole é o recomendável para a aplicação geral em condutores isolados onde se faz necessário
alta condutibilidade e flexibilidade, sendo a resistência à tração fator secundário.
Tabela 1.3 - Fios de cobre mole: propriedades mecânicas (1)
Diâmetros nominais (mm) Alongamento na ruptura mínimo
individual
Superior ou igual a Inferior a (%) em 250 mm
0,080 0,280 15
0,280 0,560 20
0,560 3,00 25
3,00 8,5 30
8,5 11,80 35 O alumínio dependendo de sua têmpera pode ser classificado como H19, H16, H14 e O. O alumínio H19 é o que
apresenta maior resistência à tração, sendo normalmente utilizado em redes aéreas e o “O”, o de maior
flexibilidade necessária, por exemplo, em lides para ligações de bancos de transformadores de rede aérea.
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Tabela 1.4 - Resistência à tração dos fios de alumínio - têmpera H19 (2)
Diâmetro nominal (mm) Resistência à tração mínima
Acima de Até (inclusive) MPa kgf/mm2
1,25 200 20,4
1,25 1,50 195 19,9
1,50 1,75 190 19,4
1,75 2,00 185 18,9
2,00 2,25 180 18,4
2,25 2,50 175 17,9
2,50 3,00 170 17,3
3,00 3,50 165 16,8
3,50 5,00 160 16,3
Tabela 1.5 - Resistência à tração dos fios de alumínio têmperas H16, H14 e O (2)
Valor mínimo Valor máximo Têmpera
MPa kgf/mm2 MPa kgf/mm2
H16 115 11,7 150 15,3
H14 105 10,7 140 14,3
0 60 6,12 95 9,69
Para o caso de cabos isolados com condutores de alumínio em geral os fios, antes do encordoamento devem ter
uma resistência à tração mínima de 105MPa.
Os condutores dos cabos de energia podem ser formados por um único fio ou pela reunião de vários fios
formando cordas. As cordas são formadas de modo a se chegar a diferentes graus de flexibilidade, a qual
depende da relação entre a seção total do condutor e a do fio elementar, do passo de encordoamento e do grau
de recozimento para o material do condutor.
De um modo geral, quanto maior for o número de fios componentes, mais flexível será o cabo, porém também
haverá a tendência de um custo mais elevado para o produto acabado, devido a um maior número de operações
de trefilação e encordoamento.
Atualmente com a utilização de modernos equipamentos de trefilação multifios e de encordoamento (Buncher), o
custo dos condutores flexíveis tem se tornado cada vez mais competitivo fazendo com que sua utilização passe a
ser generalizada em cabos de baixa tensão, principalmente devido a sua maior facilidade de instalação.
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1.2.1 Condutores redondos ou fios com encordoamento concêntrico 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.
Figura 1.2 - Fios e Cabos com Encordoamento Concêntrico
A formação do condutor com um único fio reduz significativamente a flexibilidade do condutor e normalmente esta
construção é limitada por praticidade da instalação em 16mm2.
As formações padronizadas para cabos com encordoamento concêntrico são:
Nº de fios Formação
7 1 + 6 19 1 + 6 + 12 37 1 + 6 + 12 + 18 61 1 + 6 + 12 + 18 + 24
Ou seja, cada coroa possui um número de fios igual a última acrescida de mais seis. 1.2.2 Condutores redondos com encordoamento compacto Durante a formação de corda, cada coroa é continuamente compactada por uma fieira de compactação,
objetivando reduzir os espaços entre os fios componentes e tornando o diâmetro final da corda significativamente
menor.
Figura 1.3 - Cabos Redondos com Encordoamento Compacto
Neste caso não é necessário se ter um encordoamento concêntrico, porém o número de fios mínimos por
condutor para cada seção deve estar conforme NBR MN 280 (3).
As vantagens decorrentes da construção compacta são inúmeras, destacando-se que os cabos quase nunca
necessitam de separador, tem um menor diâmetro final permitindo um melhor aproveitamento dos dutos e
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menores raios de curvatura. Devido principalmente à diminuição do volume de materiais isolantes, proteções e,
eventualmente de blindagem, resulta um cabo de menor custo, mais leve permitindo maior facilidade de
manuseio, maiores lances para acondicionamento e instalação.
A construção compacta, evidentemente, diminui a flexibilidade do cabo, porém não a compromete
significantemente quando se tratam de cabos de potência de baixa ou de média tensão ou quando estes
possuam proteções metálicas.
De uma forma genérica, atualmente, os cabos de potência de média e alta tensão, para instalações fixas,
possuem condutores compactados devido às suas inúmeras vantagens neste tipo de aplicação.
1.2.3 Condutores setoriais compactados São normalmente utilizados em cabos multipolares, de três ou quatro condutores, nas seções de 50mm2 a
240mm2, objetivando a obtenção de cabos com menor diâmetro externo.
Figura 1.4 - Condutores Setoriais
1.2.4 Condutores redondos com encordoamento composto São formados pela reunião de vários condutores, previamente encordoados, chamados cochas.
Esta modalidade de encordoamento é largamente utilizada em cabos de baixa tensão, objetivando maior
facilidade de instalação, e em cabos para uso móvel que exigem grande flexibilidade e resistência à fadiga,
devido a sua movimentação contínua.
Figura 1.5 - Condutores com Encordoamento Composto
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Existem ainda construções especiais para condutores, sendo a que mais se destaca é a do condutor segmentado
(Milliken) que é um condutor dividido geralmente em quatro ou seis segmentos isolados entre si. Sua principal
aplicação se destina a cabos singelos com seção a partir de 1000mm2, objetivando reduzir a componente de
efeito pelicular da resistência à corrente alternada.
Figura 1.6 - Condutores Segmentados
A forma dos condutores, para cabos de média e alta tensão, é geralmente circular, objetivando minimizar
concentrações de campo elétrico na isolação.
Em cabos multipolares, a aplicação de condutores setoriais é limitada à tensão de isolamento de 20/35kV devido
a não uniformidade da distribuição do campo elétrico imposta pela geometria setorial.
O projeto dimensional do condutor, uma vez definida sua seção ou resistência elétrica desejada, consiste em
determinar o número e a dimensão dos fios componentes. Estes são determinados procurando conciliar um
máximo de flexibilidade (inúmeros fios) com um custo mínimo (poucos fios).
É sempre importante considerar que a flexibilidade de um cabo isolado deve ser analisada de uma forma global,
ou seja, ela será a resultante da formação do condutor e dos materiais isolantes e de proteção, sendo estes
algumas vezes predominantes.
No caso de condutores de alumínio, a seção mínima recomendada é 16mm2, entretanto, algumas
concessionárias de energia elétrica utilizam a seção de 10mm2 em aplicações específicas, tais como em cabos
isolados multiplexados de baixa tensão para entrada de redes aéreas.
Não se recomenda a utilização de condutores de alumínio para instalações residenciais, principalmente pela
dificuldade das conexões entre condutores e dispositivos.
1.3 Bloqueio do condutor Quando é especificada a construção bloqueada longitudinalmente, os interstícios internos entre os fios
componentes do condutor são preenchidos com um material compatível, objetivando eliminar a possibilidade de
migração de água pelo condutor.
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A construção bloqueada impede a corrosão de condutores de alumínio isolados ou protegidos para rede aérea e
o surgimento do fenômeno de “water treeing”, devido a presença de água nos condutores, em cabos com
isolação polimérica para média e alta tensão (ver item 1.6.3).
Normalmente os tipos de bloqueio se apresentam na forma de massas poliméricas, pó, fios ou fitas de bloqueio.
Em qualquer caso estes devem ser compatíveis química e termicamente, com os componentes do cabo.
1.4 Blindagem do condutor A blindagem do condutor, constituída por materiais poliméricos condutores não metálicos, normalmente
chamados de semicondutores, tem como principal finalidade dar uma forma perfeitamente cilíndrica ao condutor
e eliminar espaços vazios entre o condutor e a isolação.
Caso um condutor encordoado de um cabo de média ou alta tensão não possua um recobrimento com material
semicondutor, o campo elétrico assume uma forma distorcida acompanhando a superfície do condutor. Nesta
condição a isolação é solicitada de modo não uniforme sendo que, em alguns pontos, devido a concentração do
campo elétrico, estas solicitações poderão ultrapassar aos limites admissíveis para o dielétrico, resultando em
uma depreciação na vida do cabo.
No caso de isolações poliméricas, quando da extrusão do material da isolação diretamente sobre o condutor,
poderão surgir bolhas de ar onde o material isolante não penetrou totalmente entre os fios. O ar será ionizado
pela ação do campo elétrico e vão ocorrer descargas parciais que irão danificar a isolação até a sua perfuração,
devido tanto ao bombardeio de elétrons, gerando calor e erosão, quanto ao ataque do ozona.
Em geral cabos com tensão nominal a partir de 3,6/6kV possuem condutores blindados.
Figura 1.7 - Efeito da Blindagem do Condutor
A blindagem do condutor deve estar em íntimo contato com a superfície interna da isolação e aderente a esta,
objetivando a eliminação de vazios e descontinuidades na interface, evitando a ocorrência de descargas parciais,
otimizando assim a sua função.
Para se obter uma ligação molecular com a isolação, a blindagem do condutor deve ser constituída por polímero
compatível e ser extrudada simultaneamente com a isolação.
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A base polimérica dos compostos de blindagem adquire sua capacidade condutora através da incorporação e
dispersão de tipos especiais de negro de fumo (carbon black) na matriz do polímero base.
A aplicação de fita têxtil semicondutora normalmente deve ser restrita a cabos com condutores flexíveis para uso
móvel ou como separador associada a uma camada semicondutora extrudada.
Para ser efetiva a blindagem do condutor, deve ter resistividade máxima de 50.000Ω.cm a 70ºC para compostos
termoplásticos e 100.000Ω.cm a 90ºC para compostos termofixos (4).
Quando a blindagem semicondutora do condutor for constituída por fita têxtil, esta deve ter uma sobreposição
mínima de 10% e uma espessura mínima de 0,065mm (4).
No caso da blindagem do condutor for composta por camada extrudada, esta deve ter espessura média de
0,4mm e espessura mínima em um ponto de 0,32mm (4).
1.5 Materiais isolantes Provavelmente um componente dos mais importantes em um cabo de energia é a sua isolação. Com a
necessidade crescente de maiores gradientes de serviço melhor performance térmica e mecânica, para os cabos
atuais, resultam 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 especificado, são determinantes características, tais como:
⋅ Elevada rigidez dielétrica perante solicitações à 60Hz e a impulso.
⋅ Baixas perdas dielétricas e, portanto, baixos valores para o produto fator de dissipação pela constante
dielétrica.
⋅ Fácil dissipação de calor e, portanto, baixa resistividade térmica.
⋅ Estabilidade térmica em regime permanente; durante períodos de emergência e em condições transitórias
de curto-circuito.
⋅ Estabilidade de suas propriedades elétricas quando em contato com água, ou seja, resistência ao
fenômeno de “water treeing”.
⋅ Resistência ao envelhecimento nas condições de gradiente elétrico e temperatura de serviço. Espera-se
normalmente que os cabos tenham uma vida superior a 30 anos.
⋅ Flexibilidade principalmente nas instalações de equipamentos móveis.
Cada característica terá uma importância maior ou menor, dependendo da aplicação e utilização da isolação em
um particular cabo de energia.
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Tabela 1.6 - Características da Isolação
Característica Material nominal PVC PE XLPE EPR EPR - 105
Rigidez dielétrica CA 15 50 50 40 40
(KV/MM) Impulso 40 65 65 60 60
FATOR DE PERDAS (tg δ ) 0,07 0,0005 0,0005 0,003 0,003
CONSTANTE DIELÉTRICA (ε) 5 - 7 2,3 2,3 2,6 - 3,0 2,6 - 3,0
ε.tg δ (X 103) 350 - 490 1,15 1,15 7,8 - 9,0 7,8 - 9,0
RESISTIVIDADE TÉRMICA (ºC.m/W) 5,0 3,5 3,5 5,0 5,0
ESTABILIDADE EM ÁGUA MÁ MÁ REGULAR ÓTIMA ÓTIMA
FLEXIBILIDADE REGULAR MÁ MÁ ÓTIMA ÓTIMA
LIMITES PERMANENTE 70 75 90 90 105
TÉRMICOS SOBRECARGA 100 90 105 - 130 130 140
(ºC) CURTO-CIRCUITO
150 150 250 250 250
Nota: valores típicos não devendo ser utilizados para especificação.
1.6 Isolações poliméricas As isolações poliméricas ou dielétricos sólidos são materiais compostos por macromoléculas que quando
formados por moléculas da mesma espécie são denominados homopolímeros e quando compostos por
combinação de moléculas distintas são denominados de copolímeros.
Segundo seu comportamento termo-mecânico, os polímeros podem ser divididos em termoplásticos e termofixos.
1.6.1 Isolações termoplásticas Os termoplásticos obtidos diretamente pela extrusão do composto, são materiais que quando sujeitos a um
aumento gradativo de temperatura mantém seu estado sólido até cerca de 105°C/130°C e a partir daí perdem as
suas propriedades mecânicas e amolecem até se tornarem líquidos.
Na prática os compostos termoplásticos têm sua temperatura de regime normal e transitório limitada para que
não haja perda significativa de suas propriedades mecânicas nestas condições.
As principais isolações termoplásticas atualmente em uso para cabos de energia são o Policloreto de Vinila
(PVC) e o Polietileno (PE).
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− POLICLORETO DE VINILA (PVC)
Os compostos de PVC são obtidos a partir de formulações especialmente desenvolvidas para determinadas
aplicações, ou seja, compostos para isolação, compostos para coberturas, compostos resistentes à chama,
compostos para alta temperatura e mais uma série de características particulares.
Uma formulação básica de PVC quase sempre é composta por:
• resina de PVC;
• plastificante;
• carga;
• anti-oxidante;
• estabilizante.
Complementado por ingredientes particulares, tais como:
• auxiliar de processamento;
• retardante à chama;
• pigmento.
O resultado em termos de características elétricas, mecânicas e de desempenho é o somatório da combinação e
da qualidade dos componentes da formulação.
Os compostos de PVC têm se mostrado adequados para utilização como isolação de cabos com tensão de
isolamento de até 3,6/6kV. Suas altas perdas dielétricas limitam sua utilização para tensões de isolamento
superiores.
Devido a sua ótima resistência mecânica, sua estabilidade perante agentes químicos e principalmente pela sua
propriedade de não propagar à chama, encontra grande aplicação como isolação de cabos para instalações de
uso geral com tensão de isolamento de 750V e 1kV.
A utilização de cabos com isolação em PVC vem encontrando restrições em instalações em locais com grande
afluência de público, como por exemplo: hotéis, teatros, hospitais, shopping centers, porque em condições de
incêndio, apesar de não propagar o fogo, libera gases tóxicos e ácidos, além de desprender grande quantidade
de fumaça escura durante a sua queima.
− POLIETILENO (PE) Basicamente existem dois tipos de polietileno utilizados como isolação de cabos de energia, ou sejam: (LDPE)
polietileno de baixa densidade e (HDPE) polietileno de alta densidade.
20
O LDPE é obtido a partir da polimerização do etileno (C2H4), sob alta pressão (23kpsi - 46kpsi) e alta temperatura
(160°C - 300°C), dando origem a longos grupos de moléculas (CH2)n. Após ser removido do reator, em forma
líquida, o polímero é misturado com antioxidante, extrudado e cortado em forma de “pellets”.
O HDPE é obtido através de uma reação a baixa pressão (385psi - 615psi) e moderada temperatura (50°C -
150ºC), resultando em um polímero de alta densidade e essencialmente linear.
O polietileno é um polímero amorfo-cristalino. O grau de cristalinidade, isto é, a razão entre a massa cristalina
para a massa total, do LDPE está na faixa de 43% a 50% em peso a 20ºC e para o HDPE entre 55% a 65%.
Os compostos de polietileno têm se mostrado adequados para utilização como isolação de cabos, devido às suas
ótimas propriedades elétricas, isto é, baixo fator de dissipação e constante dielétrica e alta rigidez dielétrica em
corrente alternada e impulso.
Na França são encontradas aplicações de LDPE para tensões de até 400kV e HDPE até 225kV.
No Brasil o polietileno tem sido utilizado como isolação de cabos de controle 750V e 1kV.
Até o final dos anos 80 o polietileno foi utilizado como isolação de cabos de média tensão em instalações
industriais e comerciais em interligações de pequeno comprimento, onde a limitação térmica da isolação era fator
secundário perante o custo total da instalação.
A partir de 1995 nas Normas Brasileiras (4) não é mais previsto o uso do Polietileno Termoplástico para cabos de
média tensão acima de 3,6/6kV.
A modernização e desenvolvimento dos processos de fabricação no Brasil, como por exemplo, a técnica de
extrusão simultânea da blindagem do condutor, da isolação e da blindagem da isolação (True Triple) ficou restrita
às isolações termofixas não contemplando o polietileno termoplástico.
1.6.2 Isolações termofixas Os dielétricos termofixos obtidos a partir da extrusão e reticulação (vulcanização) do material são caracterizados
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 90ºC ou 105ºC, sendo que em regime de
sobrecarga se permite atingir 105ºC, 130ºC ou 140ºC e durante transitórios provenientes de curto-circuitos os
termofixos podem operar em até 250ºC. Os limites térmicos vão depender do material e da aplicação a que o
cabo será submetido.
21
A excelente estabilidade térmica destes materiais permite que mais potência possa ser transportada para 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 pode ser obtida com a utilização de isolações termofixas.
As principais isolações termofixas utilizadas em cabos de energia são: o Polietileno Reticulado (XLPE) e a
Borracha Etilenopropileno (EPR).
− POLIETILENO RETICULADO (XLPE)
O Polietileno Reticulado (XLPE) é obtido a partir da modificação da estrutura do Polietileno Termoplástico (LDPE)
em outra reticulada onde os enlaces moleculares proporcionam ótima estabilidade térmica ao polímero.
O Polietileno Reticulado (XLPE) possui essencialmente todas as propriedades elétricas do LDPE, entretanto,
apresentando melhores propriedades físicas e melhor retenção destas propriedades com o aumento da
temperatura. Por ser um material termofixo possui maior resistência a deformação nas temperaturas de
operação. O XLPE possui como base polimérica o LDPE que é parcialmente cristalino e possui um ponto de
fusão na ordem de 105°C-110°C.
Objetivando manter a total estabilidade térmica da isolação do cabo bem como estável seu comportamento termo
mecânico, principalmente mantendo sob controle sua expansão térmica, a temperatura de regime de sobrecarga
de 130ºC tem sido reduzida, na Europa e no Japão, para 105ºC quando se trata de cabos de alta tensão.
Nos Estados Unidos, em 1983, foi introduzido o TR-XLPE (5) pela adição de ingrediente polar “tree retardant” na
base polimérica do XLPE. O objetivo foi minimizar defeitos provocados pelo crescimento de “water trees” e o
resultado foi a melhora da vida útil dos cabos (6)
Atualmente a maioria dos cabos XLPE de média tensão utilizados nos EUA são especificados com isolação Tree
Retardant. O XLPE tem tido aplicações em todo o mundo como isolação de cabos para baixa, média e alta
tensão. Principalmente na Europa e no Japão tem sido utilizado de forma geral em sistemas de 245kV e 275kV.
Particularmente na Alemanha e na Dinamarca se encontram aplicações em sistemas de transmissão em 400kV e
no Japão aplicações em 500kV.
O XLPE, por ser um material sensível ao fenômeno do “water treeing”, quando utilizado como isolação de cabos
de alta tensão normalmente é associado a uma barreira metálica radial em conjunto com sistemas de bloqueio
longitudinal. Para cabos de média tensão alguma restrição normalmente é feita para cabos que devam operar em
contato prolongado com água sem barreira metálica.
Nos últimos anos o XLPE substituiu, com vantagens, o PVC, como camada de proteção dos cabos para redes
aéreas protegidas, devido o PVC apresentar baixa resistência frente ao fenômeno de trilhamento elétrico.
22
Atualmente o XLPE é genericamente utilizado como camada de proteção de cabos para redes aéreas compactas
(spacer).
No início o XLPE foi formulado com negro de fumo disperso na base polimérica, para conferir resistência à
radiação ultravioleta e ao trilhamento elétrico.
Atualmente o negro de fumo tem sido substituído por outros bloqueadores de UV objetivando conferir uma maior
resistência e estabilidade ao fenômeno de trilhamento.
Figura 1.8 - Cabo Protegido com XLPE para 15 kV
O XLPE para aplicações especiais, tais como, isolação de cabos de baixa tensão sem cobertura, proteção de
cabos para rede aérea ou isolações de cabos resistentes à chama quase sempre são copolímeros carregados,
objetivando conferir ao material propriedades específicas de resistência à abrasão, impacto, trilhamento elétrico,
ultravioleta, etc e ainda atender às necessidades de processamento (extrudabilidade).
No Brasil o XLPE é largamente utilizado como isolação de cabos para baixa tensão 1kV e média tensão até
35kV.
Em casos de aplicações especiais o TR-XLPE tem sido também especificado.
− BORRACHA ETILENOPROPILENO (EPR)
Borracha Etilenopropileno (EPR) é um polímero obtido a partir da copolimerização do etileno e propileno (EPM)
ou um terpolímero etileno propileno dieno monomero (EPDM) dando origem a um elastômero com ótimas
características físicas.
O EPM copolímero ou o EPDM terpolímero são elastômeros amorfos ou semicristalinos. A cristalinidade do
polímero é função da razão da quantidade de etileno e propileno que pode ser caracterizada como se segue:
Tabela 1.7 – Cristalinidade do Polímero
% Etileno Cristalinidade
45 - 55 BAIXA 55 - 65 MÉDIA 65 - 70 ALTA
Os compostos de EPM ou EPDM são obtidos a partir de formulações especialmente projetadas para aplicações
específicas, ou seja, compostos para isolações de cabos extraflexíveis para uso móvel, compostos para alta
temperatura, compostos resistentes à chama, compostos para cabos de alta tensão e um sem número de
aplicações particulares.
23
O termo isolação de composto a base de EPR se aplica bem, pois uma formulação típica de EPR contém de sete
a nove ingredientes onde o EPM ou EPDM constituem apenas 45% a 50% em peso o total do composto. O
restante da formulação consiste em carga mineral, anti-oxidante, agente de vulcanização, co-agentes, agentes de
processo e agentes especiais que conferem características específicas aos compostos.
A Borracha Etilenopropileno (EPR) tem tido as mais diversas aplicações como isolação de cabos de baixa, média
e alta tensão até 150kV. Sua limitação em tensão tem sido causada pelas suas perdas dielétricas relativamente
mais altas do que as do LDPE e XLPE.
Por ser um material, se adequadamente formulado, resistente ao fenômeno de “water treeing” tem tido grande
aplicação em cabos de média e alta tensão que tenham que operar em contato prolongado com a água sem a
necessidade de utilização de capas metálicas (“wet design”).
Para o caso particular de cabos de média tensão até 35kV, especificamente com construção bloqueada, o EPR
tem sido largamente utilizado como isolação de cabos instalados em ambientes com água, sem capa metálica, e
gradiente de projeto de 4kV/mm (7).
Figura 1.9 – Cabo WTR (Water Treeing Resistant) ( 7 )
A isolação de EPR encontra grande aplicação em cabos de controle e potência de baixa tensão. Sua ótima
flexibilidade recomenda aplicação em cabos de uso móvel para máquinas de mineração, pórticos industriais e de
portos.
Sua ótima estabilidade térmica permite sua utilização em cabos de potência de média tensão com temperatura
em regime permanente de até 105ºC, e em lides de motores para 130ºC
O EPR adequadamente formulado é ainda utilizado como isolação de cabos BCS, com temperaturas de
operação de até 204ºC, para alimentação de bombas centrifugas submersas (BCS) para a extração de petróleo.
Figura 1.10 – Cabo BCS 204ºC para bombeio de petróleo
24
Formulações específicas de EPR permitem ainda sua aplicação como isolação de cabos não halogenados, não
propagantes do fogo e em cabos resistentes ao fogo para circuitos que devem operar mesmo em condição de
incêndio. No caso de cabos “Fire Resistant” a isolação de EPR é normalmente combinada com uma isolação
secundária a base de Mica.
1.6.3 O fenômeno do “water treeing” Em cabos de média tensão, a experiência prática operacional de campo, bem como a simulação em laboratório
realizada em cabos modelo tem demonstrado que a água tem um efeito prejudicial às isolações poliméricas e,
particularmente, ao LDPE e XLPE (8).
Utilizando técnicas apropriadas é possível observar o fenômeno de “treeing” em materiais poliméricos submetidos
a um campo elétrico. O “treeing” se origina em falhas microscópicas do sistema dielétrico e segue a direção do
campo elétrico.
Existem duas modalidades de “treeing”, ou sejam, os “electrical” e os “water trees”, sendo que este último pode
ser considerado um “treeing” eletroquímico, existindo três estágios para o seu desenvolvimento: incubação,
propagação e perfuração do dielétrico.
Os “electrical trees” normalmente se desenvolveram em falhas do sistema dielétrico sob campo elétrico intenso e
são acompanhados pelo processo de ionização e descargas parciais. Os “water trees” se propagam mesmo sob
baixo gradiente de potencial em imperfeições do sistema dielétrico contendo umidade.
As estruturas de um “water treeing” podem ser divididas em dois grupos, ou sejam: “Bow-tie trees” que ocorrem
no interior da isolação e as “Vented trees” que se originam nas interfaces das semicondutoras com a isolação.
Figura 1.11 - Estruturas do “Water Treeing”
Devido à baixa concentração de umidade no interior da isolação, o crescimento das “Bow-tie trees” é muito lento
e geralmente não levam um cabo a falha em serviço.
25
No caso das “Vented trees” elas se propagam com maior intensidade e desta forma a estabilidade elétrica do
dielétrico se reduz gradualmente até que a perfuração da isolação se inicia pela conversão de um “water tree” em
um “electrical tree”.
Figura 1.12 - “Bow-tie tree” Figura 1.13 - “Vented tree”
Experimentos em cabos isolados com LDPE removidos de serviço, onde houve penetração de água pelo
condutor e pela blindagem, confirmam os resultados de envelhecimento acelerado em laboratório e mostram uma
degradação na rigidez dielétrica de sistemas dielétricos em contato com a água (9).
Figura 1.14 - Rigidez Dielétrica Cabos Envelhecidos (9) A presença de água no condutor tem um efeito particularmente desfavorável à isolação e por isso, cabos de
média e alta tensão que devam operar em contato com água têm sido especificados com construção bloqueada.
Particularmente os cabos de alta tensão com isolação de LDPE e XLPE, além do bloqueio longitudinal de água
no condutor e na blindagem possuem capa metálica contínua ou do tipo fita laminada incorporada à cobertura,
objetivando o bloqueio radial à penetração de água no núcleo do cabo.
Sistemas dielétricos com isolações de EPR, adequadamente formuladas, são muito menos susceptíveis ao
fenômeno do “water treeing” e, portanto, possuem uma maior estabilidade das suas propriedades elétricas,
quando em contato com água, se comparados ao LDPE e XLPE. Compostos modificados pela introdução de
1. CABO NOVO 2. ÁGUA NO CONDUTOR E
NA BLINDAGEM 3. ÁGUA NA BLINDAGEM 4. CABO IMERSO EM ÁGUA
26
aditivos “tree-retardant” na base polimérica do XLPE, dando origem ao TR-XLPE, melhoram substancialmente a
estabilidade do sistema dielétrico quando em contato com água e apresentam performance similar a do EPR
(10).
Figura 1.15 - Retenção da Rigidez Dielétrica - Cabos Envelhecidos em Serviço (10) 1.6.4 Processos de reticulação Basicamente estão disponíveis três processos de reticulação para as isolações termofixas, ou sejam:
Reticulação Química;
Reticulação por irradiação e
Reticulação por Silano
O processo de reticulação química, no caso de cabos de média e alta tensão, é o mais usual para o XLPE e para
o EPR e se processa em um ambiente com elevada temperatura e pressão imediatamente seguindo a operação
de extrusão da isolação associada às camadas semicondutoras.
27
Figura 1.16 -Representação Esquemática Sistema de Reticulação Química
A reticulação normalmente se processa no interior de uma catenária; linhas verticais ou em sistemas horizontais
com matriz longa onde o núcleo do cabo é praticamente moldado em uma matriz aquecida e lubrificada por um
fluido injetado. Este processo é conhecido como MDCV (Mitsubischi–Dainchi Continuous Vulcanization) e
recomendado para cabos de extra alta tensão de grande seção nominal e elevadas espessuras para a isolação.
Se o vapor é utilizado, para fornecer o calor necessário a reticulação, a pressão normalmente se encontra na
faixa de 1400kPa a 2000kPa e a temperatura correspondente na faixa de 175ºC a 230ºC.
Se é utilizado o aquecimento elétrico e pressurização por nitrogênio, a pressão de gás envolvida, para suprimir a
formação de bolhas provenientes dos gases oriundos da reticulação, está na faixa de 500kPa a 1500kPa e a
temperatura na ordem de 400ºC a 500ºC.
A reticulação química pode ainda se processar em um banho pressurizado de óleo de silicone, a cerca de 200ºC.
28
Figura 1.17 - Reticulação Química do XLPE
Para o caso de cabos de média e alta tensão o processo de reticulação química, após a extrusão simultânea da
blindagem do condutor, da isolação e da blindagem da isolação (True Triple), se processa em Nitrogênio (Dry
Curing).
O processo de co-extrusão das três camadas em cabeça única elimina contaminantes e proporciona uma
interface homogênea entre as três camadas minimizando a formação de “Vented Trees” (11).
A reticulação com o uso de silanos apresenta grandes vantagens quando comparada a reticulação por peróxidos,
ou seja, menor custo em equipamentos de produção, maior velocidade no processo nas extrusoras, menor
sucata, melhor controle da espessura da isolação e, consequentemente, uso mais efetivo do material.
A água é o agente de reticulação no processo de cura por silano. Após a extrusão da isolação os cabos são
dispostos em tanques com água quente ou em cabines cheias de vapor a alta temperatura durante um período
de tempo para que a água ou vapor d’água difunda pela isolação provocando a reticulação, sendo o Silano o
veiculo de ligação entre os átomos de carbono.
29
Figura 1.18 - Reticulação do XLPE por Silano
Atualmente são disponibilizados compostos capazes de reticular sem a necessidade da difusão de vapor, ou
seja, a cura se processa no próprio ambiente da fábrica.
Pela sua simplicidade e baixo custo, o processo de cura por silano tem se generalizado em aplicação para
isolação em XLPE e EPR de cabos de baixa tensão para as mais variadas aplicações.
No caso de cabos de média tensão, a aplicação do processo de cura por silano é crescente mais ainda limitada.
A reticulação por irradiação é um processo quimicamente similar ao que usa peróxido, porem a isolação a ser
irradiada é composta apenas por polietileno e antioxidante.
Um fluxo de radiação (elétrons) atravessa o polímero quebrando suas cadeias e o resultado é o de um novo
arranjo molecular com ligações carbono- carbono.
A reticulação por irradiação é particularmente aplicável para espessuras delgadas de isolação e confere um alto
numero de ligações carbono- carbono resultando em alta performance térmica para os materiais irradiados.
A reticulação por irradiação é utilizada para cabos de baixa tensão especiais utilizados principalmente na
indústria militar, aeroespacial e em algumas aplicações da indústria automobilística.
30
1.6.5 Determinação da espessura da isolação A espessura da isolação de um cabo de energia é determinada de modo que esteja garantida a sua integridade
mecânica e elétrica durante os procedimentos de fabricação, instalação e operação.
No caso de cabos de baixa tensão, quase sempre predomina o critério mecânico para a determinação da
espessura da isolação, já no caso de cabos de média e alta tensão a espessura da isolação é determinada de
modo que seja garantido que o gradiente de potencial máximo não supere um certo valor especificado; tanto em
condições de operação normal quanto em condições transitórias de impulso atmosférico.
Principalmente no caso de cabos de média e alta tensão com isolações poliméricas muitas vezes os gradientes
de potencial em corrente alternada e a impulso especificados são validados através de ensaios de conformidade,
base analise estatística da rigidez dielétrica, conforme distribuição de Weibull (12).
Através da analise estatística de Weibull, a espessura da isolação pode ser também determinada a partir de um
gradiente obtido de uma dada probabilidade de falha ao longo da vida do sistema de cabos.
No caso trivial de cabos de média e alta tensão, normalmente se tem uma estrutura coaxial, de modo que o
campo elétrico somente possui componentes radiais e é uniforme em todas as direções, decrescendo desde a
blindagem do condutor até a blindagem da isolação.
Para uma estrutura coaxial o gradiente de potencial máximo pode ser determinado por:
EV o
rL ntr
=+
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟1
(1.1)
Onde: E - Gradiente de potencial (kV/mm) Vo - Tensão fase terra (kV) r - Raio da blindagem do condutor (mm) t - Espessura da isolação (mm) Para cabos de média tensão até 35kV, as espessuras da isolação são normalmente fixadas por Normas,
independentemente da variação da seção dos condutores, de modo que resulte um gradiente máximo de projeto
predeterminado para a pior condição.
Estes gradientes são determinados em função de ensaios de rigidez dielétrica e da experiência adquirida com a
análise do desempenho operacional, objetivando um projeto adequado para a isolação.
Para a mesma tensão de isolamento, se mantendo fixa a espessura da isolação, resulta diferentes gradientes de
potencial para cada seção de condutor.
31
Figura 1.19 - Gradientes em Função de Seção do Condutor Isto pode até fazer sentido, pois quanto maior for a seção do condutor, maior será seu índice de responsabilidade
no sistema elétrico, pois maior potência estará sendo transmitida.
No caso de cabos de média tensão, com tensão de isolamento de 3,6/6kV até 20/35kV, são especificados
diferentes gradientes máximos de projeto para cada tensão, de modo que cabos com maior tensão de isolamento
tenham maiores gradientes de projeto.
1,9
2,2
2,52,6
2,8
3,83,6
3,4
3,0
2,6
1
2
3
4
10 15 20 25 35
Tensão (kV)
Gra
dien
te (k
V/m
m)
Figura 1.20 - Gradientes em Função da Tensão de Isolamento
Este fato pode ser considerado um paradoxo, uma vez que quanto maior for a tensão de isolamento, maior será o
índice de responsabilidade do cabo na rede e, consequentemente, maior deverá ser a sua confiabilidade.
Como conseqüência, para um mesmo sistema dielétrico, menor deveria ser o gradiente de exercício.
Se os cabos para uma determinada gama de tensões de isolamento são fabricados com a mesma tecnologia, ou
seja, mesmo critério de projeto, mesmos materiais, mesmo processo e equipamentos e mesmo pessoal, podem
ser utilizados os mesmos gradientes máximos de projeto para todas as tensões de isolamento (13).
SEÇÃO (mm2)
32
Este conceito foi introduzido, a partir de 1988, para cabos com construção bloqueada e isolação de borracha
etilenopropileno (EPR), onde foi fixado como gradiente máximo de projeto na blindagem do condutor 4kV/mm e
na blindagem da isolação 2,5kV/mm (7;14).
Os cabos de média tensão com isolação de EPR e construção bloqueada, projetados com espessura da isolação
coordenada para 4kV/mm, apresentam um custo efetivo com alta confiabilidade e são uma ótima alternativa para
sistemas de distribuição onde os cabos devam operar em contato com água.
O conceito de espessura coordenada foi também aplicado à cabos multiplexados autosustentados com isolação
em EPR e XLPE, para tensões de 10kV a 35kV (15), devendo ainda ser estendido à cabos de potência de média
tensão até 35kV com isolação de XLPE, para instalações em ambientes sem contato com água, e para o TR-
XLPE em qualquer situação.
Os valores da espessura da isolação previstos nas Normas são nominais, entretanto, o seu valor médio não deve
ser inferior ao valor nominal especificado.
No caso de cabos de potência, com tensões de isolamento de 1kV a 35kV, a espessura mínima da isolação, em
um ponto qualquer da seção transversal não pode ser inferior a 0,1mm + 10% do valor nominal especificado (4).
1.7 Blindagem da isolação A função principal da blindagem da isolação é a de proporcionar distribuição radial e simétrica para o campo
elétrico, fazendo com que o dielétrico seja solicitado uniformemente.
Figura 1.21 - Efeito da Blindagem da Isolação Da mesma forma que a blindagem do condutor, a blindagem da isolação para ser efetiva deve manter um contato
perfeito com a superfície externa da isolação, eliminando assim a possibilidade de bolhas e imperfeições que
dariam lugar às descargas parciais ou ao surgimento de “vented trees”.
A blindagem da isolação proporciona também uma capacitância uniforme entre condutor e terra, o que
representa uma impedância característica (Zo) uniforme ao longo do cabo, evitando pontos de reflexão,
proporcionando uma melhor performance perante as solicitações de impulso.
33
A blindagem da isolação é normalmente constituída por meio de uma parte semicondutora não metálica, para
equalização do campo elétrico, associada a uma parte metálica para o transporte das correntes de seqüência
zero.
Em geral cabos com tensão de isolamento a partir de 3,6/6kV possuem blindagem da isolação. No caso de cabos
com tensão de isolamento de 3,6/6kV, a blindagem da isolação pode ser opcional, desde que os cabos possuam
proteção metálica ou sejam instalados em eletrodutos metálicos convenientemente aterrados (4).
No caso de cabos de potência, com tensão de isolamento de 6/10kV e superiores, a parte não metálica da
blindagem da isolação deve ser constituída por uma camada de polímero semicondutor extrudado
simultaneamente com a isolação.
Para tensões de até 20/35kV normalmente são utilizados materiais poliméricos adequados que permitem a
remoção da camada semicondutora à temperatura ambiente (“free strippable”), quando da preparação dos
acessórios.
Para cabos de alta tensão, normalmente são empregados materiais semicondutores com uma base polimérica tal
que haja aderência total entre a camada semicondutora e a isolação do cabo, permitindo a operação sob altos
gradientes.
Para o caso de cabos com tensão isolamento de 3,6/6kV a 20/35kV, a espessura média da camada extrudada da
blindagem da isolação deve ser igual ou superior a 0,4mm e a espessura mínima em um ponto igual ou superior
a 0,32mm (4).
Para tensão de 3,6/6kV e principalmente para o caso de cabos extraflexíveis para o uso móvel em média tensão,
com isolação em EPR, a parte não metálica da blindagem da isolação pode ser constituída por uma fita
semicondutora combinada ou não com verniz semicondutor.
Para ser efetiva a blindagem semicondutora da isolação deve ter resistividade máxima de 50.000Ω.cm à
temperatura de operação do cabo em regime permanente.
A parte metálica da blindagem da isolação pode ser formada pela aplicação helicoidal de fitas de cobre
sobrepostas, pela aplicação de fios helicoidais ou longitudinais corrugados, por trança de fios, por capa metálica
contínua, por fita metálica laminada incorporada à cobertura ou por uma combinação destes elementos.
No caso trivial de cabos de média tensão até 35kV as blindagens dos cabos são geralmente constituídas por fios
de cobre, nu ou revestido com resistividade máxima de 0,018312Ω.mm2/m a 20ºC, aplicados de forma helicoidal
ou longitudinais corrugados com seção mínima de 6,0mm2 (4).
Em qualquer caso, a blindagem metálica deve ser dimensionada para transportar as correntes de curto-circuito
fase-terra do sistema elétrico.
34
1.8 A blindagem do cabo sob o ponto de vista das interferências No caso de cabos de controle e cabos para a indústria naval, a blindagem possui funções distintas da dos cabos
de energia, uma vez que aquelas são concebidas com o objetivo de evitar interferências internas e externas ao
sistema de cabos.
Os cabos de controle muitas vezes são blindados, com fitas metálicas ou metalizadas em conjunto com dreno,
para evitar que interferências causadas pelo campo magnético gerado por cabos de energia adjacentes induzam
tensões nos circuitos de controle, resultando distúrbios imprevisíveis. Já os cabos para aplicação na indústria
naval são algumas vezes blindados com tranças de fios metálicos (“braid”) para evitar que o campo magnético
gerado pela corrente do condutor cause interferência nos meios de comunicação, radares, etc.
Esta mesma blindagem se comporta também como armação protegendo o cabo contra danos mecânicos,
principalmente os provenientes de impactos, permitindo sua instalação direta sem o uso de eletrodutos metálicos.
1.9 Bloqueio da blindagem Quando for especificada a construção bloqueada longitudinalmente, os interstícios entre a blindagem
semicondutora da isolação e a cobertura devem ser preenchidos com material adequado e compatível química e
termicamente com os componentes do cabo, objetivando eliminar a migração longitudinal de água e minimizar o
surgimento do fenômeno de “water treeing”.
Normalmente o bloqueio é feito com pó, fios ou fitas de bloqueio que se expandem, em contato com a água,
restringindo a sua migração.
1.10 Coberturas Na escolha da construção do cabo, até o núcleo, são determinantes: características elétricas, mecânicas e
químicas, quanto à compatibilidade dos elementos em contato.
Pode ser observado que até o núcleo, as características de resistência a agentes químicos ou mecânicos
externos, excetuando-se casos particulares, não são considerados em primeiro plano. Se torna necessário que,
em função das condições de instalação, sejam projetadas coberturas como uma 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 utilizado, são fundamentais algumas características, tais como:
35
− Resistência à abrasão, rasgo, corte e impacto
− Impermeabilidade
− Inflamabilidade
− Baixa emissão de fumaça, gases tóxicos e ácidos durante eventual queima
− Estabilidade térmica
− Resistência ao ataque de agentes químicos e atmosféricos
− Flexibilidade
Dentre os materiais utilizados para cobertura em cabos, os seguintes se destacam, devido às suas diferentes
performances perante uma particular aplicação:
COBERTURAS TERMOPLÁSTICAS
− Policloreto de Vinila (PVC)
− Polietileno de baixa densidade (LDPE), de média densidade (MDPE) e linear (LLDPE)
− Coberturas não halogenadas (SHF1) COBERTURAS TERMOFIXAS
− Policloropreno - PCP (Neoprene)
− Polietileno Clorosulfonado - CSP (Hypalon)
− Coberturas não halogenadas (SHF2)
Na tabela 1.9 a seguir são apresentadas algumas características típicas para os materiais normalmente utilizados
para coberturas de cabos de energia.
Tabela 1.8 - Características para coberturas
Material Característica
PVC PE PCP CSP SHF Resistência mecânica bom muito bom bom bom bom Impermeabilidade bom ótimo regular regular regular Inflamabilidade ótimo mau regular regular ótimo Emissão de fumaça e gases
mau bom mau mau ótimo
Estabilidade térmica bom bom bom bom bom Resistência a agentes químicos
bom bom bom bom bom
Flexibilidade bom regular ótimo ótimo bom Custo relativo baixo médio alto alto alto
No que diz respeito a estabilidade térmica em regime de operação, vale observar que o material de cobertura
pode limitar a temperatura de operação do condutor. Assim sendo, são limitados valores para a temperatura do
condutor em regime permanente em função dos materiais de cobertura (4).
36
Tabela 1.9 - Classificação das Coberturas
Material Classificação Máxima temperatura do condutor (ºC)
PVC ST1 80 PVC ST2 90 PE ST3 80 (1) PE ST7 90
PCP, CSP ou SHF SE 1/A ou SE 1/B 90 (2) (1) 85ºC, para cabos com tensão de isolamento iguais ou superiores a 6/10kV. (2) 85ºC, para cabos com cobertura SE 1/B e tensões de isolamento inferiores a 6/10kV.
Para cabos que devam operar em instalações sujeitas ao contato com líquidos e ou contaminantes, a análise do
material da cobertura deve levar principalmente em conta a impermeabilidade e a resistência a agentes químicos.
Como conclusão, observamos que a função de uma cobertura não é de apenas resistir ao ataque de um
determinado agente químico, mas, principalmente, evitar sua passagem e os métodos de avaliação devem levar
este fato em conta.
Por outro lado, um líquido ou contaminante pode penetrar no interior do cabo em caso de acidente ou dano
mecânico durante a instalação, montagem de emendas ou durante o período de operação e, portanto, sua
concepção construtiva deve impedir a propagação longitudinal de líquidos ou contaminantes que possam vir a
degradar as propriedades físicas dos elementos que constituem o núcleo do cabo(16).
De uma forma geral os cabos de potência são protegidos por uma cobertura de policloreto de vinila (PVC)
material que, adequadamente formulado, protege o núcleo do cabo contra danos mecânicos durante a instalação
é razoavelmente impermeável, mantém uma boa estabilidade perante agentes químicos, apresenta uma boa
flexibilidade e possui a propriedade de não propagar o fogo, isto a um custo efetivo.
No caso de instalações em locais com grande afluência de público, o PVC tem sido substituído por materiais não
halogenados (SHF).
Cabos de média tensão com construção bloqueada, que devem operar em contato com água, são normalmente
protegidos por uma cobertura de Polietileno (ST7) devido a sua alta impermeabilidade. Suas demais
propriedades são adequadamente balanceadas com as necessidades da aplicação.
No caso de cabos para uso móvel são geralmente especificadas coberturas de Policloropreno - PCP (Neoprene)
devido as suas ótimas propriedades mecânicas, alta flexibilidade, resistência à abrasão, ao corte, ao impacto,
além de certa resistência ao ataque de óleos e moderada resistência à chama. Coberturas de PCP são
normalmente recomendadas para cabos alimentadores de equipamentos em minas subterrâneas. Em algumas
aplicações são utilizadas coberturas de Polietileno Clorosulfonado - CSP (Hypalon) que possui propriedades
semelhantes ao PCP, apresentando a vantagem de poder ser pigmentado. Este fato facilita a identificação de
circuitos diretamente através de cores nas coberturas dos cabos. Para serviço extra pesado são ainda utilizadas
coberturas de Poliuretana (PU).
37
Em aplicações onde se requer resistência ao fogo, baixa emissão de fumaça e de gases tóxicos, e ácidos são
normalmente utilizadas coberturas de materiais não halogenados, tendo como polímero base quase sempre o
Polietileno, o Etileno Vinil Acetato (EVA) ou o Etileno Etil Acrilato (EEA), geralmente formulados com Alumina tri-
hidratada, elemento não halogenado inibidor do fogo.
As aplicações mais usuais para os materiais não halogenados são em cabos de instrumentação, controle ou
potência para instalações em plataformas de petróleo, a bordo de navios da marinha mercante ou militar ou
conforme NBR 5410 (17), em locais com grande afluência de publico, tais como: shopping centers, hospitais,
cinemas, teatros, hotéis, torres comerciais e/ou residenciais, metrô, centros de convenções, bem como áreas de
eletrônica e computação.
Os materiais não halogenados são também utilizados em cabos de controle ou potência de circuitos vitais, tais
como sistemas de alarme e controle, alimentação de bombas de incêndio e qualquer sistema que deva operar
mesmo em condições de incêndio (Cabos Fire Resistant).
Para aplicações especiais onde os cabos devam ser instalados em locais onde existam Térmitas (Cupins), são
utilizadas capas de poliamida delgada (Nylon), extrudada em conjunto com uma cobertura de PVC ou PE. O
nylon por ser um material extremamente liso e duro, forma uma barreira quase impenetrável ao ataque de cupins.
Esta prática é utilizada com freqüência no Brasil, Estados Unidos, Austrália e Japão.
1.11 Capas metálicas Normalmente a utilização de capas metálicas em cabos com isolação polimérica se dá objetivando a proteção do
núcleo do cabo contra o ataque de líquidos e contaminantes.
Especificamente em refinarias de petróleo, complexos petroquímicos ou indústrias químicas, o subsolo quase
sempre é contaminado por infiltrações de estações de tratamento, dejetos industriais ou mesmo por acidentes
eventuais. Os cabos de distribuição instalados no subsolo, além de ficarem expostos aos efeitos da água, sofrem
também o ataque de agentes químicos dos mais diversos tipos e nas mais variadas concentrações (16).
No caso de cabos de média tensão, objetivando eliminar a penetração radial de líquidos ou contaminantes, a
blindagem metálica deve ser constituída por uma capa metálica contínua e dimensionada, além dos critérios
mecânicos, com seção adequada para o transporte de correntes de curto-circuito fase-terra do sistema elétrico.
A solução que utiliza capa metálica contínua apresenta uma melhor performance de bloqueio radial do que a
alternativa de fita laminada e ainda dispensa, em alguns casos, o uso de condutores adicionais para o transporte da
corrente de curto-circuito.
38
Dentre os materiais disponíveis, o mais recomendado é o chumbo, devido às suas ótimas propriedades frente ao
ataque de agentes químicos e elevada resistência à corrosão, porem algumas restrições vem sendo impostas ao
seu uso devido as legislações ambientais.
1.12 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:
1.12.1 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.
Figura 1.22 - Cabo Armado Com Fitas Planas
Normalmente a armação é protegida contra corrosão por uma cobertura de PVC 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 pode, em alguns casos, ser dispensada.
Em certas aplicações a tradicional armação com fitas planas de aço pode ser substituída pela aplicação de uma
camada extrudada de um polímero esponjoso de alta resistência que absorve e amortece impactos protegendo
assim de modo eficaz o núcleo do cabo.
39
1.12.2 Armações com fios de aço galvanizado São normalmente utilizadas 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.
Figura 1.23 - Cabo Armado com Fios de Aço
1.12.3 Armações 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.
Figura 1.24 - Cabo com Armação “Interlocked”
No caso de cabos unipolares, para se evitar perdas adicionais, são empregados materiais não magnéticos, tais
como: fios ou fitas de cobre ou bronze e fios e fitas de alumínio.
40
UNIDADE II – CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO
2.1 Introdução Neste capítulo são apresentados os critérios básicos, de usos corrente, necessários para o projeto e operação
de sistemas que envolvem cabos de energia.
Serão apresentados os critérios de dimensionamento, cálculo de parâmetros elétricos de seqüência positiva e
zero, cálculo de queda de tensão e, características de curto-circuito típicas para o projeto de sistemas de
distribuição com cabos de média e baixa tensão.
Complementando, é apresentado o critério de seleção do nível de isolamento adequado aos cabos de média
tensão.
2.2 Dados básicos para especificação e projeto Para a seleção do cabo de energia adequado a um sistema específico, várias informações prévias a respeito das
condições de serviço devem ser consideradas:
2.2.1 Condições de Operação a) Tensão nominal do sistema U (valor r.m.s. entre fases);
b) Tensão máxima do sistema Um (máximo valor r.m.s. entre fases em condições de regime normal);
c) Tensão de serviço do sistema Us (valor r.m.s. entre fases);
d) Freqüência do sistema;
e) Potência (MVA) a transmitir em regime normal de operação à tensão de serviço;
f) Potência (MVA) a transmitir em regime de emergência à tensão de serviço bem como o tempo de duração e
a freqüência deste tipo de operação;
g) Fator de potência da carga;
h) Ciclo de carga típico;
i) Máxima corrente de curto-circuito entre fases e para a terra;
j) Tempo de atuação dos dispositivos de proteção;
k) Modalidade de aterramento do sistema e, no caso de sistemas em que o neutro não seja efetivamente
aterrado, a duração máxima permissível para defeitos que envolvam a terra;
l) Características dos pára-raios, eventualmente existentes.
41
2.2.2. Condições de Instalação a) Comprimento e perfil do circuito;
b) Detalhes da disposição dos circuitos e modalidades de ligação do circuito da blindagem;
c) Detalhe das condições de instalação para fornecer dados para a especificação do tipo de material para a
proteção externa;
d) Profundidade da instalação, no caso de cabos subterrâneos;
e) Resistividade térmica do solo, no caso de cabos subterrâneos;
f) Temperatura média do local da instalação;
g) Detalhes a respeito da vala ou do banco de dutos se existirem;
h) Detalhes de ventilação para cabos instalados ao ar livre ou em galerias;
i) Tipo de exposição à luz solar;
j) Detalhes específicos no caso de cabos submarinos.
2.3 Critérios para seleção da seção dos condutores Em última análise a seção dos condutores, de um sistema de cabos de energia, é dimensionada com base em
um dos seguintes critérios:
• Capacidade de condução de corrente (ampacidade);
• Limite de queda de tensão;
• Capacidade de curto-circuito; e
• Dimensionamento econômico.
A capacidade de condução de corrente é limitada pela máxima temperatura de operação, permissível pela
isolação, em regime permanente ou em regime de emergência para sistemas que tenham que operar sob
contingência.
No caso de sistemas primários de média tensão, para as extensões usuais das instalações, a queda de tensão,
em geral, resulta bem menor do que os limites admissíveis, entretanto para efeito de cálculo seu valor deve ser
limitado a 7%.
O critério da capacidade de curto-circuito é geralmente predominante para o caso do suprimento de energia a
pequenas cargas, em média tensão, em sistemas com alto nível de curto-circuito.
Além dos critérios convencionais, mencionados anteriormente, cada vez mais se torna necessário o uso do
critério econômico para o dimensionamento eficaz dos cabos de potência.
O critério econômico leva em consideração o custo das perdas de energia, ao longo da vida útil do sistema de
cabos, e quase sempre justificam a especificação de uma seção para o condutor superior àquela calculada pelos
critérios convencionais.
42
Neste caso, um investimento inicial superior é amortizado, ao longo da utilização do sistema de cabos, através
da conservação de energia decorrentes das menores perdas Joule.
Cabe esclarecer que para cada tensão de isolamento, são previstas nas especificações seções mínimas, de
modo que sejam respeitados os gradientes máximos de projeto que determinam as espessuras da isolação dos
cabos.
Após análise de cada um dos critérios de seleção, deve ser especificada a seção para o condutor que atenda a
todos os requisitos de avaliação.
2.4 Capacidade de condução de corrente As maneiras de instalar bem como as tabelas de condução de corrente estão disponíveis na NBR 5410 (17) e
na NBR 14039 (18), respectivamente para cabos de baixa e média tensão.
O método de cálculo pode ser obtido na NBR 11301 (19) e a modelagem térmica bem como tabelas para
dimensionamento no Livro Cabos de Energia (20).
2.4.1 Cabos unipolares instalados em paralelo Quando são utilizados vários cabos unipolares, instalados em paralelo, para alimentar cargas de alta potência
em complexos industriais ou na interligação de grupos geradores a transformadores em Usinas ou mesmo para
conectar transformadores a barramentos em subestações, a indução nos cabos em paralelos de uma mesma
fase deve ser igual para todos, uma vez que depende a distribuição de corrente entre os cabos.
Se os cabos da mesma fase estão agrupados e instalados lado a lado a distribuição de corrente será muito
irregular devido ao acoplamento indutivo desequilibrado.
Uma distribuição de corrente mais equilibrada pode ser obtida se os cabos são agrupados em sistemas e
mantendo a separação entre fases menor que a distancia entre sistemas. Na prática deve-se usar para a
distância entre sistemas no mínimo o dobro da distância entre fases de um mesmo sistema.
Uma distribuição perfeitamente equilibrada somente é obtida com a utilização de cabos tripolares uma vez que
nestes as fases são transpostas continuamente de acordo com o seu passo da reunião.
No caso de cabos unipolares somente com a transposição das fases pode ser obtida uma distribuição
perfeitamente simétrica das correntes, no entanto se consegue uma boa aproximação se as fases, dentro dos
vários sistemas, são arranjadas de forma conveniente.
43
Assim por exemplo, cabos instalados em esteira devem ser agrupados na seguinte seqüência para que sejam
próximos seus coeficientes de indução:
A1 B1 C1 C2 B2 A2
A3 B3 C3 C4 B4 A4
No caso de cabos instalados em trifólio a disposição recomendada, para se obter uma boa distribuição de
correntes, é a apresentada a seguir:
A1 B1
C1
B2 A2
C2
A3 B3
C3
B4 A4
C4
2.5 Cálculo da Queda de Tensão No caso de linhas subterrâneas, com comprimentos usuais, sua representação, como modelo, para o cálculo da
queda de tensão, poderá ser feita admitindo seus parâmetros longitudinais concentrados e suprimindo as
admitâncias em paralelo.
Figura 2.1
2.5.1 Sistemas Monofásicos O sistema pode ser solucionado como um circuito simples de corrente alternada, considerando Z e Zn como
sendo as impedâncias do condutor fase e neutro respectivamente. Não havendo ramos em paralelo, a corrente
será a mesma nos extremos gerador e receptor.
Para o caso trivial onde o condutor fase é idêntico ao condutor neutro, a queda de tensão percentual será dada
por:
( )ΔV
l L R XV
=+200. . cos sen
(%)ϕ ϕ
(2.1)
44
Figura 2.2 2.5.2 Sistemas Trifásicos Admitindo que o cabo opere em um sistema equilibrado, pode-se analisar a linha por fase supondo um neutro
fictício de retomo com impedância nula, logo:
A queda de tensão percentual será então dada por:
( )ΔV
l L R XV
=+173 2, . . cos sen
(%)ϕ ϕ
(2.2)
Onde: VG, VR = tensão entre fase e terra (V) V = tensão entre fases (V) l = corrente de linha (A) L = comprimento do cabo (km) R = resistência em corrente alternada do cabo (Ω)./km) X = reatância indutiva do cabo (Ω)./km) cos ϕ = fator de potência da carga
2.6 Determinação dos Parâmetros Elétricos 2.6.1 Resistência do condutor à corrente alternada A resistência do condutor de um cabo de energia depende do material utilizado, do tipo de construção do
condutor e do cabo, bem como da temperatura máxima de operação permissível pela isolação. Para a
determinação da queda de tensão são fornecidos, nas tabelas de parâmetros elétricos, os valores para a
resistência do condutor à corrente alternada na temperatura de operação para configurações típicas, as quais
foram determinadas através do método sugerido na IEC-287(27) e descrito a seguir:
Rcaθ ºC = Rccθ ºC (1 + Yp + Ys) (Ω/km) (2.3)
45
Onde: Rccθ ºC = resistência do condutor à corrente contínua (Ω/km) a θ ºC; Yp = componente devido ao efeito de proximidade; Ys = componente devido ao efeito pelicular. Sendo a resistência do condutor à corrente contínua, para condutores de cobre nu, conforme NBR 6880(3):
Tabela 2.1 - Resistência Elétrica do Condutor
Seção nominal (mm2)
Resistência elétrica máxima do condutor a 20ºC (Ω/km)
6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500
3,08 1,83 1,15
0,727 0,524 0,387 0,268 0,193 0,153 0,124
0,0991 0,0754 0,0601 0,0470 0,0366
A componente do efeito pelicular, causada pela não uniformidade da densidade de corrente na seção do
condutor, devido à presença do campo magnético gerado pela própria corrente do condutor, só é significativa em
seções superiores a 185 mm2 e pode ser determinada pela equação:
YX
Xss
S=
+
2
2192 0 8, (2.4 a)
A 60 Hz, para cabos com isolação polimérica o valor de Xs é dado por:
XRccs C=0 15,
ºθ (2.4 b)
A componente do efeito de proximidade, devido a não uniformidade da densidade de corrente causada pela
presença do campo magnético, gerado pelos condutores vizinhos, é tanto mais significativa quanto mais
próximos forem os condutores.
Seu valor torna-se praticamente desprezível em cabos instalados a mais de 15 cm de distância e pode ser
determinado pela equação:
( )Y F Xd
DMG F Xd
DMGp pc
p
c=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ +
+⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎡
⎣⎢⎢
⎤
⎦⎥⎥
2 21180 27
0 312,
, ( ), (2.5)
Onde: F XX
Xpp
p( )
,=
+
2
2192 0 8 (2.6)
46
A 60 Hz, para cabos com isolação polimérica o valor de Xp é dado por:
XRccp C=0 15,
ºθ (2.7)
dc = diâmetro do condutor (mm) DMG = distância média geométrica do circuito (mm). 2.6.2 Reatância Indutiva A reatância indutiva de um circuito de corrente alternada depende fundamentalmente da freqüência do sistema,
do tipo de construção do condutor e da geometria do circuito.
Para a determinação da queda de tensão são fornecidos, nas tabelas de parâmetros elétricos, os valores da
reatância indutiva média para configurações típicas, as quais podem ser determinadas através do método
descrito a seguir:
XL = 0,377 L(Ω/km) em 60 Hz (2.8) Onde: L = indutância do condutor (mH/km) Para um sistema trifásico operando em condições equilibradas, a indutância média do circuito pode ser
determinada por:
L = 0,2 LnDMGRMG
(mH/km) (2.9)
Sendo: DMG = distância média geométrica do circuito (mm) RMG = raio médio geométrico do condutor (mm) Para cabos com condutores compactados, o raio médio geométrico será dado por RMG = 0,779 r (mm), onde: r = raio do condutor (mm). Valores Típicos para DMG
As equações apresentadas são adequadas a cabos de baixa tensão ou cabos de média tensão com o circuito da
blindagem aterrado em um só ponto.
47
No caso de se ter um aterramento múltiplo da blindagem, a corrente de circulação produz um campo magnético
contrário ao gerado pela corrente do condutor, causando um decréscimo da indutância e um aumento da
resistência efetiva do circuito. O condutor e a blindagem da isolação se comportam do mesmo modo que os
enrolamentos de um transformador com relação 1-1.
No extremo livre, o valor médio da tensão induzida na blindagem em relação à terra, pode ser determinada por:
Vb = 2 π f I M . 10-3 (V/km) (2.10) sendo a indutância mútua, média por fase dada por:
M = 0,2 LnDMGdmb
2 (mH/km) (2.11)
Onde: I = corrente no condutor (A) f = freqüência (Hz) DMG = distância média geométrica do circuito (mm) dmb = diâmetro médio da blindagem (mm) Para sistemas em 60 Hz, resulta:
Vb = 0,0754 I LnDMGdmb
2 (V/km) (2.12)
Se a blindagem está aterrada em ambas as extremidades, o valor médio da corrente que flui pela blindagem será
dado por:
IV
R XAb
b
b b
=+2 2
( ) (2.13)
Onde: Rb = resistência da blindagem (Ω/km) Xb = reatância indutiva da blindagem (Ω/km)
Em 60 Hz, Xb = 0,0754 LnDMGdmb
2(Ω/km) (2.14)
A redução da indutância de cada condutor, causada pelo campo magnético produzido pela corrente da
blindagem, pode ser determinada por:
)km/mH(
1XR
1ML 2
b
b +⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=Δ (2.15)
48
No entanto, a resistência de cada condutor será acrescida de ΔR, que pode ser determinado por:
)km/mH(
1XR
1RR 2
b
b
b
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=Δ (2.16)
2.6.3 Capacitância e Corrente de Carga Capacitiva A capacitância de um cabo de energia blindado depende do diâmetro do condutor, incluindo a sua blindagem e
da espessura da isolação e sua constante dielétrica.
No caso de circuitos longos, além de sua representação como modelo ter que levar em conta a reatância
capacitiva, a corrente de carga capacitiva se torna, muitas vezes, fator determinante.
A capacitância de um cabo blindado, com geometria cilíndrica, em relação à blindagem, pode ser calculada por:
CLn
tdc e
F kmr=∈
++
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
0 0556
12
2
,( / )μ (2.17)
Onde: ∈r= constante dielétrica do isolamento (EPR = 3,0; XLPE = 2,3) t = espessura da isolação (mm) dc = diâmetro do condutor (mm) e = espessura da blindagem do condutor (mm) (valor médio = 0,5 mm) A corrente de carga capacitiva, no caso de sistemas trifásicos equilibrados, é dada por:
)km/A(X3
VIC
c = (2.18)
Onde: V = tensão entre fases do sistema (V); Xc = reatâncida capacitiva (Ω.km).
Sendo: XfC
kmC =102
6
π( . )Ω (2.19)
2.6.4 Determinação das Impedâncias de Seqüência Levando em conta a presença de correntes na blindagem, a resistência total (R+ ou R-) para correntes de
seqüência positiva ou negativa será dada por:
R R R R kmCAC+ −= = +θº ( / )Δ Ω (2.20)
No caso em que o circuito da blindagem é aterrado em um único ponto ao longo da rota ou que se faça a
transposição no circuito da blindagem (“cross-bonding”), ou seja, não havendo circulação de corrente no mesmo,
a equação se simplifica e passa a ter a seguinte forma:
49
R R R kmCAC+ −= = θº ( / )Ω (2.21)
No caso de aterramento múltiplo do circuito da blindagem, a resistência do condutor à corrente alternada
somente toma em conta a componente do efeito pelicular (Ys).
Para cabos de três condutores o valor de ΔR pode ser considerado desprezível. a) Reatância Indutiva de seqüência positiva e negativa No caso de cabos de média tensão, se o circuito da blindagem for aterrado em mais de um ponto, correntes
passam a circular por ele, devido à tensão induzida, e geram um campo magnético contrário ao gerado pela
corrente do condutor, o que resulta em um decréscimo da indutância do circuito.
a.1) Cabos Unipolares Levando em conta a presença de correntes na blindagem, a reatância (X+ ou X-) para correntes de seqüência
positiva e negativa, em 60 Hz, será dada por:
X X LnDMGRMG
XRX
kmb
b
b
+ −= = −
+⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
0 07541
2, ( / )Ω (2.22)
Onde: DMG = Distância média geométrica do sistema (mm) RMG = Raio médio geométrico do condutor (mm) Para cabos com condutores compactados o raio médio geométrico será dado por: RMG = 0,3895 dc (mm) dc = diâmetro do condutor (mm) Xb = reatância indutiva da blindagem (Ω/km) Rb = resistência da blindagem (Ω/km) No caso em que o circuito da blindagem é aterrado em um único ponto ao longo da rota ou que se faça a
transposição do circuito da blindagem (“cross-bonding”), ou seja, não havendo circulação de corrente no mesmo,
a equação se simplifica e passa a ter a seguinte forma:
X X LnDMGRMG
km+ −= = 0 0754, ( / )Ω (2.23)
a.2) Cabos de Três Condutores Para cabos de três condutores as reatâncias de seqüência positiva e negativa podem ser calculadas pela
equação como para cabos unipolares com blindagem aterrada em um único ponto independente de haver ou não
aterramento do circuito da blindagem em mais de um ponto isto porque o efeito de circulação de corrente na
blindagem é desprezível.
b) Resistência e reatância de seqüência zero Quando a corrente de seqüência zero flui dos condutores de um circuito trifásico, ela deve retornar ou pelo solo
ou pelas blindagens do cabo ou, ainda, pela combinação paralela de ambas, solo e blindagens.
50
Quando a corrente de seqüência zero flui através de cada condutor ela encontra a resistência à corrente
alternada daquele condutor e, quando retorna pelo solo ou pelas blindagens, encontra resistência daqueles
caminhos.
A corrente de seqüência zero fluindo através de cada fase encontra também a reatância gerada pela indutância
própria do condutor, pela indutância mútua em relação aos outros condutores, pela indutância mútua em relação
aos caminhos de retorno pelo solo e blindagens, e pela indutância própria dos caminhos de retorno.
Cada um desses efeitos nem sempre pode ser identificado individualmente a partir das equações usadas para o
cálculo da reatância, porque a teoria dos circuitos de retorno pelo solo e o uso de um raio médio geométrico para
representar um grupo de condutores em paralelo apresentam, de forma combinada, alguns dos efeitos
fundamentais contribuintes para a reatância total de seqüência zero.
Os efeitos da resistência e da reatância estão interrelacionados tão proximamente que eles são melhor tratados
com simultaneidade.
O aterramento do circuito da blindagem em dois ou mais pontos faz com que a corrente de seqüência zero
retorne tanto pelo solo como pela blindagem. Por outro lado, quando o circuito da blindagem é aterrado em um
único ponto ao longo da rota, a corrente de seqüência zero retorna somente pela blindagem. Portanto, o método
de aterramento do circuito da blindagem tem um efeito sobre a impedância da seqüência zero dos cabos.
Uma instalação de cabos real pode se aproximar a uma das seguintes condições teóricas:
• Corrente de retorno pelo circuito da blindagem em paralelo com o solo. • Corrente de retorno pelo circuito da blindagem. • Corrente de retorno pelo solo (caso de cabos não blindados). b.1) Cabos Unipolares A impedância de seqüência zero, em 60 Hz, para um circuito composto por três cabos unipolares, transpostos,
pode ser obtida a partir das seguintes expressões:
b.1.1) Corrente de retorno pelo circuito da blindagem em paralelo com o solo.
Z ZZZ
kmo cm
b= −
2
( / )Ω (2.24)
Onde: ZC = componente da impedância relativa ao condutor
Z R R j LnD
RMG DMGkmC CA
CT
e= + +θº ,( )
( / )0 22622
Ω (2.25)
RT = resistência do circuito de retorno pelo solo (Ω/km) - veja tabela 2.16 De = distância equivalente para o circuito de retorno pelo solo (mm) - veja tabela 2.16 Zb = componente da impedância relativa à blindagem
51
ºC eb b T
23
DZ R R j0, 2262Ln ( /km)dmb (DMG)
2
θ= + + Ω (2.26)
Z R j LnD
dmbDMG
kmm Te= + 0 2262
223
,( )
( / )Ω (2.27)
b.1.2) Corrente de retorno pelo circuito da blindagem
Zo = ZC + Zb - 2 Zm (2.28)
b.1.3) Corrente de retorno pelo solo
Zo = ZC (2.29)
Z R R j LnD
RMG DMGkmo CA
CT
e= + +θº ,( )
( / )0 226223
Ω (2.30)
Tabela 2.2 – Resistividade do Solo
Resistividade do solo (Ω.m)
De (mm)
RT (Ω/m)
10 50
100 500
1000
268224 609600 853440
1889600 2682240
1,778 1,778 1,778 1,778 1,778
b.2) Cabos de Três Condutores Para circuitos compostos por cabos de três condutores, com blindagens solidamente aterradas, as expressões
para cálculo da impedância de seqüência zero são as mesmas que para cabos unipolares.
As expressões para a impedância de seqüência zero apresentadas nos itens a, b e c, assim como o circuito real
para cabos de três condutores ou três cabos singelos transpostos estão apresentados na figura 2.10:
52
Figura 2.3 - Diagrama para circuito de seqüência zero
2.7 Capacidade de Curto-Circuito Quando do dimensionamento de cabos isolados para operação em sistemas com alto nível de curto-circuito, é de
fundamental importância a verificação da capacidade dos cabos envolvidos em resistir aos efeitos mecânicos e
térmicos provenientes das correntes de defeito.
A corrente de curto-circuito permissível em um cabo isolado depende da máxima temperatura do condutor
permitida pela isolação e da duração do defeito, isto é, do tempo de atuação dos dispositivos de proteção. Em
sistemas onde altas correntes de curto-circuito estão envolvidas, as forças entre condutores devem ser também
consideradas.
2.7.1 Efeitos mecânicos As forças resultantes são proporcionais ao quadrado da corrente instantânea de curto-circuito assimétrica e
dependem da distância entre os condutores. No caso de cabos de três ou quatro condutores, as forças
provenientes das correntes de curto-circuito são normalmente absorvidas pelo encordoamento das fases,
enchimento e cobertura, porém em sistemas com alto nível de curto-circuito, uma armação com fitas planas de
aço muitas vezes se torna necessária.
Já para o caso de cabos unipolares quando necessário, deve ser previsto um sistema de fixação por meio de
braçadeiras de material não magnético ou quando de aço tenham o circuito magnético interrompido, com o
objetivo de absorver os esforços eletromagnéticos resultantes.
53
A força eletrodinâmica entre os dois condutores para o caso de um curto-circuito bipolar pode ser determinada
pela equação:
FI
dNs
1
20 2=
× ×,( )
l (2.31)
onde: IS = corrente de curto-circuito assimétrica (kA) d = distância entre centros (m) λ = distância entre suportes (m) Na ocorrência de um curto-circuito trifásico em um sistema de cabos com configuração triangular ou em esteira,
à força resultante, tendo o condutor central como referência, é dada por:
F3 = 0,87 F1 (N) (2.32)
Para correntes de curto-circuito superior a 20 kA, recomenda-se o prévio estudo das forças eletrodinâmicas
envolvidas
2.7.2 Efeitos Térmicos Com o propósito de calcular a capacidade de curto-circuito, foi assumido que o intervalo de duração do defeito
seja pequeno (< 5s), de modo que o calor gerado pelo fluxo de potência de curto-circuito fique armazenado no
condutor, não havendo portanto troca de calor com o meio ambiente
A equação a seguir possibilita ao usuário dos cabos determinar:
1 - A máxima corrente de curto-circuito permitida por um cabo em função da seção do seu condutor; 2 - A seção do condutor de um cabo necessária para suportar uma determinada corrente de curto-circuito; 3 - O tempo máximo que um cabo pode ser submetido a uma determinada corrente de curto-circuito sem dano para a isolação. A corrente de curto-circuito para condutores de cobre ou alumínio pode ser obtida pela equação.
o
o
Tfk.SIcc log (kA)Tit
β +=
β + (2.33)
Onde: Icc - corrente de curto-circuito (kA); S - Área do condutor (mm2); t - Tempo de duração do curto-circuito (s); Ti - Temperatura do condutor antes do curto-circuito (ºC); Tf - Temperatura do condutor após o curto-circuito (ºC); k - 0,34 cobre e 0,22 alumínio; βo - 234,5 cobre e 228,1 alumínio.
54
Para avaliação da temperatura antes do defeito, desde que esta não seja conhecida, recomenda-se que seja
assumido que o cabo opere à plena carga, ou seja, deve ser considerada a máxima temperatura do condutor em
regime normal permissível pela isolação.
No caso de sistemas de distribuição radiais, onde a localização do trecho defeituoso é efetuada por meio de
religações sucessivas do disjuntor na subestação, o número de religações e o seu tempo devem ser
considerados.
Como para um cabo de energia o transitório de aquecimento é muito menor do que o resfriamento, considerando
um pequeno intervalo de tempo entre os sucessivos curtos-circuitos, o calor gerado tenderá a se acumular ao
longo das religações.
O mesmo cuidado deve, ser tomado com cabos para travessias de redes aéreas que contenham relés
religadores na subestação.
No caso de se ter conexões em emendas ou terminais feitas por meio de solda com liga de estanho e chumbo, a
temperatura do condutor em regime de curto-circuito deverá ser limitada a 160°C, para que as conexões não
percam suas características físicas e mecânicas.
2.7.3 Performance da Blindagem Metálica Para o dimensionamento da capacidade de curto-circuito da blindagem metálica, no caso de cabos de média
tensão, em função da sua seção e do tempo de atuação dos dispositivos de proteção, recomenda-se a utilização
da mesma equação adotada para o dimensionamento de condutores perante regime transitório de curto-circuito.
Atualmente, porém, se comprova que a suposição de que o calor gerado pelo fluxo de potência de curto-circuito
fica armazenado no condutor, ou seja, que não há troca de calor durante o transitório, é uma posição
conservativa, uma vez que na prática, a partir de aproximadamente 0,2 segundos, já se inicia a transferência de
calor.
Entretanto este fato pode ser de certa forma compensado, para tempos superiores a 0,2 segundos, pelo
acréscimo do limite de temperatura permissível para materiais em contato com a blindagem em regime transitório
de curta duração
Mário rever este parágrafo, menciona tabela que foi excluída.
É lógico que em caso de dúvidas é recomendado que a posição mais conservadora seja adotada.
A tabela 2.18 fornece os valores aproximados para a temperatura da blindagem no instante do curto-circuito em
função da temperatura do condutor neste instante e da tensão de isolamento do cabo em questão. Tabela 2.3 – Temperatura do Condutor
Tensão Temperatura do condutor °C
(KV) 90 80 3,6/6 a 15/25 85 75
20/35 80 70
55
A temperatura final da blindagem, após a ocorrência do transitório, será limitada pelo material que estiver em
contato com ela e que poderá ser danificado.
No caso de cabos com cobertura termoplástica essa temperatura deve ser limitada a 200°C.
2.8 Critérios de Seleção da Tensão de Isolamento Quando a espessura da isolação de um cabo de energia de média tensão é calculada, um fator determinante é o
valor do máximo gradiente de potencial para condições de operação em regime permanente e transitório devido
a surtos de manobras e de origem atmosférica.
Porém, também é de real importância uma análise do tipo de aterramento do neutro do sistema de energia bem
como do esquema de proteção tendo como objetivo o conhecimento quantitativo no nível de sobretensão, a que
a isolação do cabo ficará sujeita decorrente de eventuais curtos-circuitos para a terra.
Para selecionar o cabo adequado a determinado sistema, a NBR 6251(5) prevê três categorias para cada tensão
de isolamento, ou sejam:
Categoria A
Esta categoria abrange os sistemas em que qualquer condutor fase, que venha a ter contato com a terra ou com
um condutor terra, é desligado do sistema dentro de 1 minuto.
Categoria B
Esta categoria abrange os sistemas que, sob condição de falta, são previstos para continuar operando, por um
tempo limitado, com uma fase a terra. Este período não deve exceder 1 hora. Entretanto, um período maior pode
ser tolerado desde que não exceda 8 horas em qualquer ocasião. A duração total das faltas em 12 meses
consecutivos não deve exceder 125 horas.
Categoria C
Esta categoria compreende todo o sistema que não se enquadra na categoria A ou B.
Deve ser entendido que em um sistema onde uma falta para terra não é automática e prontamente eliminada, as
solicitações elétricas extras na isolação dos cabos durante a falta, reduzem sua vida útil em um certo grau. Se há
previsão de o sistema operar com freqüência, com falta permanente para a terra, é recomendável classificá-lo na
categoria seguinte.
56
Tabela 2.4 – Tensão de Isolamento do Sistema
Tensão máxima de
operação do sistema Tensão de isolamento
do cabo (Vo) Tensão de isolamento
do cabo (Vo) (UM) Categorias A E B Categoria C 1,2 3,6 7,2 12,0 17,5 24,0 30,0 42,0
0,6 1,8 3,6 6
8,7 12 15 20
0,6 3,6 6
8,7 12 15 20 -
Onde: Um = Máxima tensão de linha que pode ser mantida em condições normais de operação em qualquer tempo e
em qualquer ponto do sistema. Vo = valor eficaz da tensão entre condutor e a terra ou blindagem da isolação. V = valor eficaz da tensão entre condutores isolados.
57
UNIDADE III – INSTALAÇÃO
3.1 Introdução A maneira de se instalar um cabo tem grande influência não somente no investimento inicial da instalação, mas
também no custo operacional e na continuidade de serviço do sistema.
Em última análise, existem quatro modalidades de instalação para cabos de energia para fazer frente às
necessidades dos sistemas de energia elétrica:
• Instalação em dutos subterrâneos;
• Instalação direta no solo;
• Instalação em canaletas;
• Instalação em bandejas.
Para a escolha adequada do tipo de instalação a ser projetada, alguns fatores básicos devem ser considerados,
tais como: investimento inicial, tempo de manutenção, dissipação de calor, multiplicidade de circuitos, etc.
Quando se trata de sistemas de distribuição urbanos ou mesmo industriais de grande porte, principalmente
devido às características dos sistemas de distribuição, a instalação em dutos subterrâneos é normalmente a
mais difundida. Isto se deve ao fato de, apesar do custo de implantação ser bastante elevado, permitir que sejam
construídos tendo-se em mente a ampliação dos sistemas com a instalação de novos circuitos e, sob o aspecto
de manutenção, permitir a substituição de um lance defeituoso em um tempo mínimo.
Devido principalmente ao atrativo econômico, vem sendo cada vez mais difundida a técnica de instalação direta
no solo. Esta, que no passado era restrita a cabos de iluminação pública, instalados em parques e jardins, hoje
em dia se estende também aos modernos sistemas de distribuição.
Sua principal desvantagem é no que diz respeito ao tempo necessário às substituições de cabos defeituosos e à
limitação do número de circuitos na mesma vala. Atualmente sua aplicação é bastante difundida no caso de
cabos para transmissão subterrânea e em sistemas radiais residenciais urbanos.
Instalações de cabos em canaletas ou sobre bandejas são restritas respectivamente a instalações em usinas e
subestações com trechos de pequenos comprimentos ou no interior de instalações industriais.
58
3.2 Aspectos Gerais das Instalações em Dutos Subterrâneos 3.2.1 Dimensionamento das linhas de dutos Inúmeros materiais vêm sendo aplicados tendo como objetivo a obtenção do mais compatível aos cabos de
energia. Normalmente, procura-se coordenar diversos fatores na especificação dos materiais, visando atender às
exigências que se seguem:
• Resistência mecânica elevada;
• Boa condutibilidade térmica;
• Baixo coeficiente de atrito;
• Estabilidade perante ácidos do solo;
• Estabilidade térmica em condições de curto-circuito.
Dentro destas características são atualmente utilizados dutos de Polietileno de Alta densidade corrugados e de
PVC. A tendência atual é a utilização deste último com paredes reduzidas, a fim de melhorar a dissipação de
calor e dos de PEAD corrugados objetivando uma facilidade maior de instalação em trechos curvos. Isto se deve
à redução de custos e faci1idade de instalação.
a) Esmagamento
Quando se dimensiona uma linha de dutos, um dado de importância é o fator de ocupação no duto pelo cabo a
ser instalado, prevendo-se o crescimento do sistema e a instalação de cabos com maior seção ou nível de
tensão.
Quando os dutos forem projetados para a instalação de três cabos unipolares, o diâmetro do duto deve ser
sempre menor que três vezes o diâmetro de um cabo. Isto para que seja evitado que um dos cabos se localize
entre os outros dois, sofrendo um esmagamento. Na prática, recomenda-se que o diâmetro do duto seja sempre
inferior a 2,8 vezes o diâmetro do cabo unipolar.
Uma forma simples de evitar o esmagamento é a especificação de cabos unipolares triplexados. Neste caso,
será possível a padronização dos dutos subterrâneos para uma gama de seções e classes de tensão sem o risco
de esmagamento.
Existem várias recomendações para a determinação do diâmetro mínimo do duto em função do cabo ou cabos a
serem instalados, ou seja: critério da relação diâmetro do duto e diâmetro do cabo, relação de áreas e o critério
da folga padrão.
Baseados no critério da relação de área ocupada pelo cabo ou cabos, apresentamos a Tabela 3.1 onde pode ser
obtido o diâmetro adequado do duto em função do número de cabos a serem instalados e seus diâmetros.
59
Tabela 3.1 - Diâmetro adequado do duto em função do número de cabos a serem instalados
Diâmetro externo dos cabos (mm) Diâmetro do duto Número de cabos no duto
Pol mm 1 2 3 4 3 76 56,5 30,5 28,5 24,5
3 ½ 89 65,5 35,0 32,5 28,5 4 101 74,0 40,0 37,0 32,0
4 ½ 114 83,5 45,0 42,0 36,0 5 127 93,0 50,0 46,5 40,5 6 152 112 60,5 56,0 48,5
Percentual de ocupação 53% 31% 40% 40% É bom esclarecer que durante a fabricação dos cabos de energia existe uma tolerância para mais no diâmetro
externo dos cabos. Normalmente, os valores nominais dos diâmetros dos cabos devem ser acrescidos de 5% a
10% a fim de compensar tolerâncias de fabricação.
No caso em que se deseja determinar a bitola de um duto necessário a um número de cabos superior a 4, e de
mesmo diâmetro, deve-se multiplicar o diâmetro de um deles por n / 4 . Com este novo diâmetro, entra-se na
tabela para quatro cabos e determina-se o duto conveniente à instalação de n cabos.
Já para o caso de cabos com diferentes diâmetros, determina-se diâmetro equivalente pela equação abaixo,
entrando-se a seguir na coluna correspondente ao número total de cabos e determinando a bitola do duto a ser
utilizado.
n21
2n
222
211
n...nnndn...dndnDeq
++++++
= (3.1)
Onde: Deq - diâmetro equivalente (mm) nn - nº de cabos com diâmetro dn dn - diâmetro externo de cada cabo (mm) b) Folga entre cabos e duto Folga mínima (F) é aquela destinada a evitar que o cabo superior seja pressionado contra o topo do duto,
quando três cabos são instalados em um duto.
A folga deve se situar entre 6 a 25 mm, com o maior valor sendo usado para os cabos de maiores dimensões,
puxamentos mais severos e trechos com curvas.
Para cabos dispostos com configuração triangular em um duto, a folga pode ser determinada pela equação:
( )2
dDd1dD5,0d366,1D5,0F ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
−−−+−= (3.2)
Onde: D - diâmetro interno do duto (mm) d - diâmetro externo de cada cabo (mm).
60
c) Curvatura admissível dos cabos Para cabos com isolação polimérica, são apresentados abaixo os valores dos raios mínimos sob os quais os
cabos isolados (unipolares e multipolares) podem ser curvados em estado permanente durante as instalações.
Estes limites não se aplicam a dutos curvos, roldanas ou outra qualquer superfície curva sobre a qual o cabo
será tracionado durante a instalação. Maiores raios de curvatura são necessários nestas condições. Em todos os
casos o raio mínimo especificado se refere à superfície de contato do cabo com o caminho curvo e não ao seu
eixo.
a) Cabos de energia sem blindagem metálica ou armação, dados de acordo com a Tabela 3.2.
Tabela 3.2 – Raio mínimo de curvatura
Diâmetro externo do cabo (mm)
Raio mínimo de curvatura como múltiplo do diâmetro externo
Até 25 4 De 25 a 50 5
Acima de 50 6 b) Cabos de energia armados ou blindados. O raio mínimo de curvatura para cabos armados com fitas ou fios ou para cabos blindados deve ser igual a
12(doze) vezes o diâmetro do cabo.
3.2.2 Determinação da tensão máxima de puxamento Basicamente existem dois modos dos cabos serem tracionados durante o processo de instalação, ou seja:
puxamento pela cobertura e puxamento pelo condutor.
O puxamento pelo condutor deve ser adotado normalmente como regra, pois a tensão máxima permissível será
bem mais elevada do que quando do tracionamento pela cobertura. Este último é normalmente adotado para
pequenos trechos de cabos ou mesmo para a arrumação dos cabos no interior das caixas de passagem (off-set).
A tensão de puxamento, quando este é realizado pelo condutor, não deve atingir um determinado valor que
cause um estiramento do material condutor. Esta deformação, mesmo dentro dos limites elásticos do material,
poderá causar danos permanentes aos cabos de energia devido ao destaque das camadas isolantes e
semicondutoras.
O valor limite de tensão para o cobre recozido e para o alumínio é de cerca de 7kgf/mm2. Porém, um valor
recomendado para a tensão admissível destes materiais é de 4kgf/mm2.
Esta redução se deve ao fato de que a distribuição de tensões nos condutores não é igual e que mesmo que o
puxamento seja contínuo, este dificilmente será uniforme; conseqüentemente poderá haver picos de tensões e
estes não devem ultrapassar os 7kgf/mm2.
Já para o caso em que o cabo é tracionado pela cobertura, a tensão máxima de puxamento não deve ser maior
do que 4kgf/mm2 de condutor, com um máximo de 500 kgf.
61
O valor máximo de 500kg para tração com camisa de puxamento é o limite que as capas de chumbo podem
suportar nos cabos de papel. É interessante que esse valor seja válido para cabos com cobertura que apresente
pouca aderência ao resto do cabo. Alguns testes limitados indicam que este valor pode ser baixo para cabos
com aderência integral, isolação e cobertura, mas testes mais consistentes são necessários antes que outros
valores sejam usados.
3.2.3 Determinação do esforço lateral Outro fator que deve ser considerado para o puxamento de um cabo é o esforço lateral, ou seja, a força radial
exercida sobre a isolação e a cobertura de um cabo, em uma curva, quando o cabo está submetido a uma
tensão de puxamento.
Excedendo o valor máximo permissível de esforço lateral, pode ser comprometida a integridade do cabo. O
esforço lateral máximo não deve exceder 900kgf por metro de raio do caminho curvo por onde passará o cabo de
energia e a 150kgf por metro de raio para cabos de controle.
Muitos cabos têm sido seriamente danificados quando puxados através de curvas muito acentuadas. Para se
evitar isso, o raio das curvas por onde passará o cabo deve exceder, em ordem de prioridade: O valor necessário
para as limitações do esforço lateral, ou 20 vezes o diâmetro externo dos cabos blindados e 12 vezes dos cabos
não blindados.
O esforço lateral é diretamente proporcional à força de puxamento na saída da curva e inversamente
proporcional ao raio da curva. O esforço lateral que atua sobre um cabo e qualquer curva pode ser estimado a
partir das seguintes fórmulas, em função da geometria do circuito.
a) um cabo por duto
RTE S
L = (3.3)
Onde: Ts = força de puxamento na saída da curva (kgf) R = raio da curva (m) EL = esforço lateral (kgf/m) b) três cabos c/ formação triangular inversa
( )R3
T2K3E SOL
−= (3.4)
Onde: KO = fator de correção para o puxamento simultâneo (ver equação 3.8) c) três cabos c/ formação triangular direta
R2TK
E S0L = (3.5)
62
Onde: KO = fator de correção para o puxamento simultâneo (ver equação 3.8) Pelo que foi até aqui exposto, vemos que a força de puxamento de um cabo não deve exceder o menor dos
seguintes valores:
− Tensão permissível no(s) condutor(es);
− Tensão permissível pelo tipo de puxamento;
− Esforço lateral permissível.
3.2.4 Determinação do lance máximo de puxamento O máximo lance de um ou mais cabos que podem ser instalados de uma só vez depende de inúmeros fatores,
tais como: lance máximo de fabricação para o cabo, tensão máxima de puxamento, coeficiente de atrito entre
cabo e duto, número de cabos a serem instalados simultaneamente e massa dos cabos.
No caso de instalações de cabos em dutos, a tendência normal do projetista é no sentido de diminuir o número
de caixas de emenda ao longo da rota e com isto minimizar a necessidade de confecção de emendas.
Porém, quanto maiores forem os lances entre caixas, maior será o custo de manutenção do sistema no caso de
substituição de lances defeituosos.
Um balanço técnico e econômico deve normalmente ser efetuado, mas em casos de rotas retilíneas de sistemas
de distribuição urbanos ou mesmo industriais a distância típica de 80m - 150m entre caixas pode, algumas
vezes, atingir aos 300m (21)
Para um trecho retilíneo, o máximo comprimento de cabo a ser instalado pode ser determinado pela equação:
)m(PAnL
μσ
= (3.6)
Onde: n = número de cabos instalados simultaneamente σ = tensão máxima admissível (kgf/mm2) A = área total do condutor (mm2) μ = coeficiente do atrito efetivo (μ = μo x ko) P = massa total dos cabos (kg/m) μo = coeficiente de atrito entre cabo e duto ko = fator de correção para o puxamento simultâneo Quando dois ou mais condutores são puxados simultaneamente no interior de um duto, surge uma múltipla ação
entre os cabos e o duto que causa um aumento efetivo da força de puxamento. Este acréscimo depende da
relação dos diâmetros dos cabos e dutos e do tipo de formação atingida pelos cabos durante a instalação.
Para o caso da instalação de dois cabos por fase, de cabos multipolares ou triplexados, o fator de correção para
puxamento simultâneo pode ser determinado por:
63
( )[ ]20
dD/d1
1K−−
= (3.7)
Onde: D = diâmetro interno do duto (mm) d = diâmetro externo do cabo (mm) Já para o caso do puxamento simultâneo de três cabos unipolares, a configuração final estabelecida pelos cabos
depende da folga existente entre os cabos e o duto. Esta configuração tanto pode ser triangular direta como
inversa e, normalmente, é tomado um fator de correção médio para estas duas configurações.
Para o caso de uma configuração triangular inversa, o fator de correção para puxamento simultâneo pode ser
determinado por
( )
2
o dDd33,11K ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−
+= (3.8)
Configuração triangular inversa
A força final de puxamento será fundamentalmente afetada quando da existência de curvas no trajeto da
instalação, face à pressão que os cabos irão exercer sobre a parede do duto.
Estas curvas poderão ser traduzidas num acréscimo do comprimento real do trecho denominado de comprimento
virtual da instalação e que pode ser determinado pela equação:
2
211
RLsenhcoshLLeq ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛μ
+μα+μα= (3.9)
Onde: Leq = comprimento equivalente total (m) L1 = comprimento retilíneo na entrada da curva (m) μ = coeficiente de atrito efetivo α = ângulo da curvatura (radianos) R = raio de curvatura (m) No caso em que L1 for maior do que 10R/μ, o comprimento equivalente será aproximadamente igual a:
μα≅ eLLeq 1 (3.10)
64
Uma curvatura implica em fator de multiplicação da força de entrada na curva. Por isso deve-se calcular a força
requerida para o puxamento em ambas as direções. Puxa-se na direção que requeira a menor força.
Para que os esforços sejam mínimos, os cabos devem ser lançados, sempre que possível, da caixa mais
próxima a eventuais curvas no trajeto.
Quando são instalados grandes comprimentos de cabos ou existem excessivas curvas no trajeto, os esforços
calculados podem se situar próximo à força máxima de puxamento permissível pelo cabo. Neste caso, é
recomendado o uso de dinamômetros a fim de medir e controlar os valores das tensões verificadas durante o
puxamento.
O dinamômetro pode ser acoplado ao carro guincho ou fixado no local para onde o cabo vai ser puxado. Um
esquema normalmente utilizado pode ser visto na figura abaixo.
( )2/cos.2odinamometrnoLeituraF
β=
3.3 Aspectos Gerais da Instalação de Cabos Diretamente no Solo Esta modalidade de instalação vem sendo utilizada há vários anos na Europa, para cabos de transmissão e
distribuição subterrânea, como regra e com grande êxito.
Nos Estados Unidos esta prática vem sendo utilizada principalmente em sistemas de distribuição residenciais
subterrâneos (URD).
No Brasil esta técnica, antes restrita a cabos armados de baixa tensão instalados sob calçadas e a cabos de
iluminação publica instalados em parques e jardins, vem se difundindo cada vez mais objetivando uma maior
economia dos sistemas subterrâneos e tem sua aplicação generalizada em áreas de condomínios e em alguns
sistemas industriais.
A tendência, é da especificação de cabos de baixa tensão mutipolares armados e de cabos de média tensão
unipolares triplexados não armados, sendo que neste caso a responsabilidade da proteção contra danos
65
mecânicos, provenientes de escavações, fica por conta de lajotas de concreto dispostas ao longo da rota dos
cabos ou simplesmente por fitas de polietileno com inscrições de alerta.
3.3.1 Métodos de lançamento Basicamente existem dois métodos para a instalação de cabos diretamente no solo, ou seja:
I. lançamento direto na vala
II. puxamento sobre roletes
O lançamento direto dos cabos na vala é o normalmente preferido pois dispensa o uso de acessórios especiais e
não submete o cabo a esforços de tração durante a instalação. No entanto, a dificuldade quase sempre consiste
na obtenção de espaço físico para o deslocamento do carretel ao longo da rota do sistema.
A limitação do lance a ser instalado se deve principalmente à existência de obstáculos ao longo da rota, ou
sejam: tubulações de água, gás, óleo, etc. e ao lance máximo de fabricação do cabo.
Figura 3.1 – Projeto da Vala
Neste caso a instalação pode ser simultânea com a abertura da vala, ou seja a bobina de cabo é acoplada a uma
escavadeira específica que ao mesmo tempo que abre a vala lança o cabo.
O puxamento sobre roletes é o ideal sob o aspecto da flexibilidade operacional para locais com interferências,
pois a bobina permanece alocada em um único ponto durante todo o lançamento.
São dispostos roletes, ao longo da rota, espaçados de 0,8 a 1,2m, sobre os quais é lançado o cabo. O
puxamento, dependendo do esforço durante a instalação, pode ser feito por meio de camisas ou alças de
puxamento e, entre o cabo de energia e o cabo de aço deve ser instalado o destorcedor para evitar a
propagação de esforços de torção.
Para a determinação dos esforços e lances máximos de instalação pode ser tomado 0,25 como sendo o valor
médio do coeficiente de atrito entre cabo e roletes.
66
Figura 3.2 – Puxamento sobre roletes
3.3.2 Dimensionamento das valas e disposição dos circuitos O dimensionamento das valas é função do número de circuitos instalados e da localização das instalações e
pode seguir os seguintes critérios:
a) circuitos de média tensão Os cabos, quando singelos, no caso de serem instalados em trifólio, devem sofrer uma amarração em espaços
regulares a fim de garantir esta configuração. Cabos triplexados são favoráveis neste sentido, pois dispensam as
amarrações.
Se instalados na pista de rolamento, a vala deverá ter uma profundidade de 80cm. Já nos casos de instalação
sob calçadas de pedestre, estas poderão ter uma profundidade de 60cm.
b) circuitos de baixa tensão As dimensões das valas podem ser idênticas às dos circuitos de média tensão.
c) circuitos conjugados
São consideradas valas conjugadas as que abrigam circuitos de média tensão e circuitos de baixa tensão.
Dimensões em (mm)
Figura 3.3 – Dimensionamento da Vala
67
3.4. Ensaios do Dielétrico antes e após a Instalação Nesta fase, estabelecemos as condições gerais que devem ser observadas quando do ensaio de tensão no
dielétrico para cabos de energia, baseadas nas recomendações das normas de fabricação e experiências de
concessionárias de energia elétrica adquiridas ao longo do tempo.
Quando se testa um circuito subterrâneo, após a sua instalação e antes da sua entrada em serviço, estará sendo
verificada a sua confiabilidade no que se refere à instalação propriamente dita e à montagem dos acessórios
(emendas e terminais). Com isto, estará sendo garantido o seu desempenho perante todo o sistema elétrico a
ele associado.
Por outro lado, a experiência nacional e internacional das concessionárias de energia elétrica tem demonstrado
que testes consecutivos e prolongados, durante o período de vida ativa dos cabos, levam a um envelhecimento
precoce do dielétrico. Trataremos aqui principalmente de ensaio em corrente contínua, pois este está
condicionado aos seguintes fatores:
• Os ensaios com tensão alternada exigem equipamentos de grandes dimensões e alto custo, devido à
necessidade de grandes potências.
• Os ensaios com tensão alternada, em cabos longos, produzem altos valores de corrente de carga.
• Os ensaios com corrente contínua são menos destrutivos do que os em corrente alternada.
• Os ensaios com corrente contínua são os previstos nas Normas dos Cabos de Potência.
Os ensaios de muito baixa freqüência (Very Low Frequency - VLF) têm seu campo de aplicação recém
desenvolvido e somente agora passam a ser introduzidos para cabos de média tensão e, serão tratados em
3.4.2.
3.4.1 Ensaios no dielétrico Em última análise, existem três períodos distintos para serem efetuados os ensaios de tensão aplicada no
dielétrico, ou seja: após a fabricação, após a instalação (antes da entrada em serviço) e durante o período de
vida ativa dos cabos.
a) Ensaio após a fabricação
Este ensaio é normalmente efetuado pelo fabricante perante inspetor do cliente e fundamentalmente regido pelas
especificações.
b) Ensaio após a instalação (antes da energização)
O cabo ou circuito (incluindo acessórios), imediatamente antes da sua entrada em serviço, poderá ser submetido
à tensão de ensaio em corrente contínua, especificada na Tabela 3.3, continuamente, durante 15 minutos (14).
68
Tabela 3.3 - Ensaios após a instalação
Tensão de isolamento kV
Tensão de teste kV - cc
3,6/6 21 6/10 29
8,7/15 42 12/20 58 15/25 72 20/35 96
Se por motivos de falhas no cabo ou acessórios, o tempo total das aplicações atingir a 30 minutos, o tempo de
aplicação dos eventuais ensaios subseqüentes deve ser reduzido a 5 minutos.
Os ensaios com corrente contínua aplicados à cabos com isolação extrudada, principalmente de instalações
antigas, podem causar o seu envelhecimento precoce. Recomenda-se que a instalação, nestes casos, seja
testada através de sua energização sem carga, por um período de 24 horas.
c) Ensaio durante o período de vida ativa do cabo
No caso em que um cabo ou circuito subterrâneo for retirado de serviço para reparos ou para expansão do
sistema, muitas vezes se deseja testar a sua confiabilidade antes de sua reenergização.
Este tipo de teste serve para detectar possíveis defeitos incipientes causados durante a manutenção ou
expansão da rede, ou mesmo constatar a manipulação imprópria tanto no lançamento como na montagem de
acessórios, assegurando as condições de serviço futuro.
Existem também os testes chamados de “ensaios de manutenção” que são efetuados após a entrada em serviço
dos cabos subterrâneos em qualquer época de sua vida.
Os ensaios de manutenção constituem, em algumas concessionárias de energia elétrica, uma rotina periódica
para assegurar de modo preventivo a confiabilidade de suas linhas subterrâneas de distribuição primária.
Contudo, este procedimento depende mais da filosofia de manutenção e não deve ser tomado como regra, visto
que suas vantagens técnico-econômicas, até hoje, não constituem ponto pacífico.
Um ensaio pode produzir ou precipitar um defeito que jamais ocorreria se o dielétrico não fosse solicitado por
tensões elevadas. Por outro lado, um ensaio preventivo elimina, em momento conveniente, os defeitos
incipientes que poderiam ocorrer durante a operação normal do sistema, provocando transtornos e perdas
monetárias.
Os ensaios de alta tensão em cabos de energia, de maneira geral, são utilizados a partir da tensão de
isolamento de 3,6/6kV, salvo condições especiais que os justifiquem.
Não existem normas ou padrões que estipulem valores para as tensões/tempo para ensaios durante o período
de vida ativa dos cabos. No entanto, existem filosofias de usuários de cabos de energia para tal procedimento.
69
Um método utilizado é o de aplicar o equivalente de corrente continua da tensão nominal (2,4 x Vo a 25ºC), de
acordo com a tabela 3.4, durante 5 minutos consecutivos.
Tabela 3.4 - Ensaios de manutenção
Tensão de isolamento
kV Tensão de teste
kV - cc
3,6/6 8,5 6/10 14,5
8,7/15 21,0 12/20 29,0 15/25 36,0 20/35 48,0
3.4.2 Ensaios de Tensão com freqüência de 0,1 Hz - VLF Os ensaios com “Very Low Frequence” têm sido introduzidos para permitir testar longos comprimentos de cabos
no campo, através de equipamento portátil, sem o risco de introdução de danos permanentes na isolação
causados pela aplicação de potenciais DC.
Por ser um ensaio em corrente alternada o VLF permite avaliar o estado da isolação perante praticamente os
mesmos parâmetros do sistema e não sobre solicita o sistema dielétrico, principalmente durante ensaios de
manutenção, de cabos antigos que contenham “water trees”.
Apesar das Normas, de cabos de média tensão, ainda não tratarem deste tipo de teste, projetos de
desenvolvimento já oferecem guias para esta modalidade de ensaio durante a instalação; para aceitação e de
manutenção (22).
3.4.3 Métodos de ensaios Nos cabos unipolares, a tensão de ensaio deve ser aplicada entre o condutor e a blindagem metálica aterrada,
tendo antes interligado a esta qualquer eventual revestimento metálico componente do cabo.
Nos cabos de três condutores, a tensão de ensaio deve ser aplicada entre cada condutor individualmente e a sua
blindagem. Deve ser notado que as três fases devem ser ensaiadas e que os ensaios são fase-terra.
Quando a tensão é aplicada continuamente, seu aumento deve ser gradativo e uniforme a uma taxa de
aproximadamente 1 kV por segundo, de tal forma que a tensão máxima de ensaio seja atingida em não menos
de 10 e não mais de 60 segundos.
Quando a tensão máxima de ensaio for atingida, deve-se tomar leituras da corrente de fuga a cada minuto até o
término do ensaio, para que se possa avaliar os resultados.
Ao final do teste em corrente contínua, a tensão deve ser reduzida a zero, porém, uma tensão residual
permanece e, portanto, o cabo deve ser adequadamente aterrado após a realização do ensaio por um período
no mínimo igual a duas vezes o tempo de duração do teste.
70
UNIDADE IV – ACESSÓRIOS
4.1 Introdução Os acessórios (terminais e emendas) para cabos de média tensão muitas vezes são considerados os pontos
mais frágeis do sistema. Isto se deve ao fato das estatísticas de falhas em sistemas de cabos elétricos
apontarem um maior número de defeitos em acessórios.
As falhas de especificação e principalmente de montagem são as principais causas de defeitos em acessórios. A
importância da compreensão da tecnologia aplicada no acessório bem como do perfeito entendimento dos métodos de
montagem, contribuem para a sua correta especificação.
Especial atenção deve ser dada a cabos em HEPR, que podem possuir isolação com espessura reduzida e com isto
requerer uma criteriosa especificação do acessório, particularmente os poliméricos em que o diâmetro sobre a isolação
do cabo é fator determinante.
Neste tópico serão analisadas as principais tecnologias envolvidas com acessórios para cabos de média tensão,
para fazer frente às exigências dos sistemas elétricos.
4.2 Considerações Básicas para Terminais Os principais fatores para análise e projeto de terminais para cabos de potência são:
• método de controle de campo elétrico;
• método de conexão e acoplamento aos componentes dos sistemas elétricos e,
• técnicas de proteção contra as condições do ambiente (controle das correntes de superfície).
Uma perfeita coordenação entre o índice de confiabilidade do sistema, dos cabos e dos terminais é primordial a fim
de se evitar pontos fracos no sistema estes, quase sempre, implicando em perdas monetárias, ocasionadas por
falhas, tanto no decorrer da operação quanto durante a implantação do sistema de energia elétrica.
71
4.3 Métodos de Controle de Campo Elétrico para Terminais Os cabos de potência de média tensão possuem blindagem do condutor e da isolação objetivando,
principalmente, tornar a distribuição do campo elétrico radial ao longo do isolamento e assim solicitar de modo
uniforme todo o dielétrico (ver item 1.7).
Quando se tem que instalar um terminal, para acoplamento do cabo ao sistema elétrico, se torna necessário a
interrupção do circuito da blindagem e com isto ocorre uma distorção no campo elétrico antes radial e uniforme e
agora com componentes longitudinais.
Figura 4.1 - Linhas de campo elétrico na interrupção da blindagem
Basicamente existem três diferentes métodos para tornar uniforme o campo elétrico na região adjacente ao
término da blindagem do isolamento de um cabo de energia, ou sejam:
• alívio capacitivo;
• alívio dielétrico;
• alívio resistivo não linear.
72
4.3.1 Alívio Capacitivo O alívio capacitivo é realizado pelo tradicional cone de alívio de tensões, onde a blindagem do isolamento é
estendida sobre uma expansão, logarítmica e artificial, do diâmetro do isolamento do cabo sobre uma porção do
terminal.
Figura 4.2 - Método de Alívio Capacitivo
Para um particular gradiente de projeto pode-se determinar a geometria ótima de um cone de alívio de tensões,
supondo que a constante dielétrica do isolamento do cabo e do cone sejam idênticas, por:
c
i
co
RRLn
RyLn
LnGlVx = (4.1)
Onde:
Vo = tensão entre fase e terra de projeto (kV)
Gl = gradiente longitudinal de projeto (kV/mm)
Rc = raio da blindagem do condutor (mm)
Ri = raio do isolamento (mm)
A expressão (4.1) representa a equação da curva A-B da figura 4.2 sendo que o seu prolongamento, B-C, e ainda
sua configuração final são normalmente definidos pelo mapeamento das linhas de campo elétrico.
Um cone de alívio pode ser obtido, praticamente, por meio do enfaixamento de fitas isolantes e condutoras ou
pela aplicação de peças pré-moldadas com o formato desejado. No primeiro caso, a curva teórica dificilmente é
obtida sendo quase sempre aceita, para tensões de isolamento de até 15/25kV, uma configuração retilínea entre
os pontos A e B e a inexistência do prolongamento BC.
Cones de alívio confeccionados manualmente são trabalhosos, exigem mão-de-obra bastante especializada, são
sujeitos a imperfeições, requerem um diâmetro considerável para o terminal e o alívio dificilmente é homogêneo
73
uma vez que a curva teórica dificilmente é obtida.
Cones de alívio pré-moldados convencionais requerem um rígido controle do diâmetro sobre o isolamento do
cabo, implicam em uma multiplicidade de itens de estoque, são sujeitos a falhas de montagem (folga excessiva e
ajuste incorreto sobre a blindagem do isolamento) ocasionando vazios que podem dar lugar a descargas parciais,
diminuindo a vida do terminal.
4.3.2 - Alívio Dielétrico O alívio dielétrico é obtido pelo recobrimento de uma parte do isolamento do cabo, a partir do término da
blindagem do isolamento, com um material de alta constante dielétrica.
Figura 4.3 - Método de Alívio Dielétrico
As linhas de campo elétrico, que se originam no condutor e atravessam o isolamento do cabo, são refratadas no
material com alta constante dielétrica de modo que o ângulo de refração seja tal que a concentração de campo
elétrico fique restrita a este material.
Os materiais de recobrimento com alta constante dielétrica normalmente se apresentam sob a forma de fitas, ou
tubos extrudados de materiais dielétricos artificiais, com constante dielétrica entre 20 e 30.
Por seu princípio básico, o alívio dielétrico para ser efetivo deve ser efetuado com material de elevada constante
dielétrica. Isto para que o campo elétrico seja refratado sob um ângulo acentuado e dirigido para o interior deste
material, resultando uma distribuição de campo no isolamento praticamente radial e assim, eliminando a
possibilidade de ocorrência de descargas parciais.
Ensaios efetuados em materiais disponíveis, com constante dielétrica igual a 30, mostram que pode ser obtida a
extinção de descargas parciais para tensões de teste de até 17kV, o que significa uma boa performance quando
utilizados em terminais com tensão de isolamento de até 12/20 kV.
74
4.3.3 Alívio Resistivo Não Linear O gradiente longitudinal pode ser controlado e mantido dentro de valores aceitáveis estabelecendo-se um circuito
elétrico constituído por elementos discretos de impedância, com o arranjo de resistores e capacitores, pela
aplicação de um pequeno comprimento de material resistivo sobre a superfície do isolamento do cabo a partir do
término da sua blindagem.
R1.I1 ~R2(I1+I2) ~ ... ~Rn(I1+I2+...+In) V12 ~ V23 ~ ....... ~ Vn-1 n
Figura 4.4 - Método de Alívio Resistivo Não Linear
Quando as correntes capacitivas, vindas do condutor, atravessam o isolamento do cabo e fluem pela camada de
material resistivo, causam uma queda de tensão que determina o valor do gradiente de potencial ao longo da
camada. Uma vez que a resistência do material é não linear, isto é, sua resistência decresce quando a corrente
que o atravessa aumenta, a intensidade de campo elétrico se torna constante ao longo da camada.
A técnica de alívio resistivo não linear, aplicada a terminais para cabos de energia teve origem na Suécia, no
meio dos anos sessenta, quando da introdução de cabos isolados com polietileno reticulado para sistemas de
12kV e 24kV (23).
No Brasil, esta técnica vem sendo utilizada com exito por meio da pasta de controle de tensões Sikronil (24). Sua
aplicação é simples e segura devido a sua consistência e baixo tempo de cura.
A função de alívio de tensões não é crítica uma vez que basta aumentar o comprimento ativo da camada para
que o nível de extinção de descargas parciais seja incrementado.
Por princípio de aplicação, é adaptável a toda a gama de diâmetros sobre a isolação dos cabos. Seu tempo de
aplicação é mínimo (cerca de 30 segundos) o que contribui consideravelmente para a redução do tempo de
montagem do terminal.
Este método vem sendo utilizado com segurança em terminais para cabos com tensão de isolamento de até
20/35kV.
75
4.4 Concepção dos Terminais com Fita para uso interno (Terminações) Os terminais protegidos por fitas foram desenvolvidos para utilização em instalações em locais abrigados para
tensões de isolamento de até 12/20 kV.
Sua instalação deve se dar em ambientes não agressivos e em que não hajam partículas condutoras em
suspensão.
No que se refere à montagem e materiais, com a utilização do alívio resistivo não linear, a execução deste
conceito resulta em uma solução final bastante simples, eficaz e econômica.
Para locais abrigados, o terminal é protegido apenas por camadas de fita a base de PVC e a conexão com o
sistema elétrico é feita através de terminal de tubo prensado ou outro meio similar.
Suas dimensões reduzidas proporcionam uma grande vantagem quando de sua aplicação em painéis blindados
e caixas de ligação de motores em média tensão.
Figura 4.5 - Terminação FTR (24)
76
4.5 Concepção dos Terminais de Porcelana Terminais de porcelana normalmente são desenvolvidos para aplicação em instalações sob qualquer condição
ambiental em que seja requerido um alto grau de confiabilidade e durabilidade devido à altíssima resistência da
porcelana ao trilhamento elétrico (tracking) e a erosão.
Nos terminais de porcelana atuais o controle de campo elétrico é feito por meio do alívio resistivo não linear e o
composto isolante vem pré-moldado de fábrica no interior do isolador, fatores que simplificam bastante a sua
instalação. Para conexão com o sistema elétrico são utilizados conectores com aperto através de parafusos
torquimétricos que dispensam a utilização de alicates de compressão.
Figura 4.6 - Terminal FTM (24)
4.6 Concepção dos Terminais Poliméricos Os terminais poliméricos (Polietileno Reticulado, Borracha Etilenopropileno ou Borracha de Silicone) foram
desenvolvidos objetivando simplificar a instalação através da aplicação de peças pré-moldadas em fábrica.
77
Os terminais poliméricos se apresentam com as tecnologias termocontráteis, contráteis a frio e “slip-over”, sendo
que todas as técnicas de controle de campo elétrico são utilizadas. Particularmente o terminal SOT, com
tecnologia “slip-over”, utiliza uma combinação de alívios de tensão (resistivo não linear e dielétrico) objetivando
sua aplicação tanto em sistemas de corrente alternada quanto em corrente contínua.
Além da tecnologia de controle de campo elétrico nos terminais poliméricos se torna importantíssimo o controle
das correntes de superfície e a utilização de materiais resistentes ao trilhamento elétrico e a erosão.
Figura 4.7 - Terminal SOT “Slip-Over” (24)
Para a conexão com o sistema elétrico normalmente são utilizados terminais de tubo prensado ou conectores
com aperto por meio de parafuso torquimétrico que dispensam o uso de alicates de compressão.
Figura 4.7 – Conector Torquimétrico (24)
78
Por concepção os terminais poliméricos não possuem um meio natural para sua fixação nas estruturas das redes
elétricas, para tal devem ser utilizados suportes adequados que dêem estabilidade à instalação tanto em regime
permanente quanto durante transitórios de curto-circuito.
Figura 4.8 - Conector torquimétrico e Suporte Modular em Terminal polimérico (24)
79
Para a conexão com equipamentos, principalmente chaves à gás e transformadores subterrâneos ou do tipo
pedestal (Pad-mounted), são utilizados terminais desconectáveis do tipo reto ou cotovelo(Elbow).
Estes terminais são normalmente moldados em EPDM revestido por composto semicondutor para a equalização
do campo elétrico.
O acoplamento nos equipamentos se dá através de bucha em epoxi que funciona como a fêmea da conexão.
São disponíveis para 200 A e 600 A e tensões de 15kV e 25kV e ainda, no caso de terminais para 200 A, podem
ser do tipo fixo (dead-break) ou para abertura sob carga (load-break).
Figura 4.9 – Terminal Desconectável tipo “Elbow” (24)
80
4.7 Considerações básicas para Emendas Em última análise, os fatores que atuam na concepção de emendas podem ser classificados em três categorias
inter-relacionadas, ou seja, projeto, materiais e instalação.
4.7.1 Projeto Uma emenda ideal seria aquela que efetuasse uma perfeita união das características elétricas, químicas e
mecânicas entre os cabos envolvidos.
Na prática, isto se torna, muitas vezes, inviável economicamente, porém na concepção do projeto são
considerados parâmetros e materiais que tem alto grau de compatibilidade, nas condições de serviço.
Em um projeto é comum a bipartição teórica e prática. Os aspectos teóricos são aqueles associados ao estudo
do comportamento no campo elétrico nas várias regiões de transição. As considerações práticas abrangem
materiais, condições de ensaio e método de montagem.
4.7.2 Materiais A confecção de uma emenda e o procedimento sistemático de reconstituir um trecho do cabo no campo dando
continuidade elétrica e dielétrica com um grau de confiabilidade relativamente alto.
A conexão dos condutores deve ter estabilidade térmica para evitar danos físicos na emenda em regime
permanente e, durante transitórios provenientes de curtos-circuitos no sistema.
Os dielétricos das emendas devem ser altamente compatíveis química e termicamente com os dos cabos e as
superfícies de contato de ambos os dielétricos devem ser tais que não permitam descargas parciais durante a
operação do sistema.
Os materiais da blindagem devem ter condutância suficiente para eliminar eletrostaticamente a tensão induzida e
transportar correntes capacitivas e de fuga.
As correntes induzidas eletromagneticamente e de seqüência zero provenientes de defeitos, normalmente são
transportadas pela reconstituição da blindagem metálica dos cabos.
A cobertura deve prover a selagem física contra a penetração de umidade e resistir ao ataque de contaminantes
presentes no universo da instalação.
81
4.7.3 Instalação
A confecção de uma emenda em um cabo de energia nada mais é do que a fabricação de uma pequena porção
de cabo no campo e, por conseguinte sob condições desfavoráveis sem o maquinário e o rígido controle de
processo típico de uma fábrica de cabos. Com isto é imprescindível que seja seguido com rigor o projeto e
instruções de montagem e, observada a limpeza dos cabos e materiais envolvidos.
4.8 Configuração do Campo Elétrico em Emendas Convencionais Em uma emenda geralmente não se tem uma estrutura coaxial como em um cabo devido a mudança de perfil do
condutor pela presença de conectores e da associação em um série de materiais isolantes do cabo e da emenda.
No caso trivial de estruturas não coaxiais, além da componente radial existe também presente uma componente
longitudinal que surge ao longo da emenda desde o condutor até a blindagem do isolamento. Em uma emenda
convencional existem três regiões críticas onde o gradiente longitudinal deve ser calculado e mantido dentro de
certos limites através do controle da sua geometria.
Estas regiões críticas normalmente ocorrem quando o perfil do isolamento ou do condutor sofre mudanças, ou
seja: na rampa do isolamento, na “ponta de lápis” e na rampa do conector.
Figura 4.10 - Emenda Convencional
Nas emendas convencionais a confecção das pontas de lápis é difícil, trabalhosa e sujeita a erros. Já o conector com
extremidades cônicas é de fabricação por encomenda e de difícil aquisição no mercado.
82
4.9 Emendas com Campo Elétrico Defletido Com o desenvolvimento de acessórios, para cabos com isolação polimérica, houve uma tendência ao projeto de
emendas do tipo campo defletido, técnica esta já utilizada anteriormente em emendas para cabos a óleo para
transmissão subterrânea.
Figura 4.11 - Emenda com Campo Defletido
As principais características das emendas a campo defletido são:
• eliminação de conectores com extremidades cônicas
• eliminação de “ponta de lápis”
• baixo tempo de montagem
A principal técnica de projeto de uma emenda a campo defletido passa pelo perfeito conhecimento da intensidade
de campo elétrico em todas as regiões, ou sejam, nas proximidades dos eletrodos e nas regiões de transição dos
materiais dielétricos. Linhas equipotenciais e gradientes de potencial podem ser obtidos, por meio de
mapeamento de campo elétrico, com o auxilio de métodos computacionais.
Figura 4.12 – Linhas Equipotenciais
83
4.10 Emendas com Alívio Resistivo Não Linear A concepção das emendas com alívio resistivo não linear segue a filosofia das emendas com campo elétrico
defletido associado à técnica de alívio contínuo de tensões ao longo do dielétrico.
Figura 4.13 - Emenda com Alívio Resistivo Não Linear (24)
Neste tipo de emenda o campo elétrico é defletido por meio da aplicação conveniente de fitas autoaglomerante
condutora e o dielétrico é reconstituído pela aplicação de fitas autoaglomerante isolante.
A blindagem metálica é reconstituida através da conexão dos próprios fios de blindagem do cabo e a cobertura
por uma combinação de fita autoaglomerante e fita adesiva plástica.
O alívio contínuo de tensões é conseguido pela aplicação da pasta Sikronil que possui uma característica
resistiva não linear, ou seja, sua resistividade diminui quando a corrente que a atravessa aumenta.
Quando as correntes capacitivas vindas do condutor fluem através da camada de Sikronil e atravessam o
isolamento da emenda, causam uma queda de potencial ao longo do Sikronil. Uma vez que a resistência do
Sikronil não é linear a intensidade de campo elétrico tende a ser constante ao longo do isolamento da emenda.
R1.I1 ~R2(I1+I2) ~ ... ~Rn(I1+I2+...+In)
V12 ~ V23 ~ ....... ~ Vn-1 n
Figura 4.14 – Emenda Sikronil - Circuito elétrico esquemático
84
As emendas com alívio resistivo não linear encontram aplicação prática para tensões de isolamento de até
40/69kV.
Seu baixo custo e facilidade de instalação associada a uma boa confiabilidade fazem com que sejam uma
alternativa interessante para especificação e aplicação.
Preparação dos Cabos e Aplicação do SIKRONIL
Emenda SIKRONIL completa
Figura 4.15 - Emendas FR - Alívio Resistivo Não Linear (24)
85
4.11 Emendas Pré-Moldadas As emendas pré-moldadas, a exemplo dos terminais poliméricos, foram desenvolvidas para simplificar a
instalação e fazer frente as emendas com fitas autoaglomerantes.
Também como os terminais poliméricos elas se apresentam através das tecnologias termocontráteis, contráteis a
frio e “slip-over”.
Por concepção seguem o “design” de campo elétrico defletido e encontram um bom campo de aplicação para
cabos de distribuição de energia elétrica.
PREPARAÇÃO DO CABO
CONJUNTO PRÉ-EXPANDIDO
RETIRADA DOS EXPANSORES
EMENDA FINALIZADA ( EM CORTE )
Figura 4.16 - Emenda SOJ “Slip-Over” (24)
86
5 Referências (1) NBR 5111 - Fios de cobre nu de seção circular para fins elétricos.
(2) NBR 5118 - Fios de alumínio nus de seção circular para fins elétricos.
(3) NBR NM 280 - Condutores de cabos isolados (IEC 228, MOD).
(4) NBR 6251 - Cabos de potência com isolação sólida extrudada para tensões de 1kV a 35 kV - Construção.
(5) Szaniszio, Steve. “HFDA –4202 NT EC, Kabelitems Nº 164”.
(6) R. M. Eichhorn, H. Sahadlich and W. Boone. “Long life cables by use of tree retardand insulation and super
clean shields” – JICABLE 91, pp.145-149.
(7) Teixeira Júnior, Mario Daniel da R. “New MV cable design for wet environments in underground distribution
systems.” 89, TD 375-7 PWRD, IEEE PES 1989.
(8) Bahder, G. ; Katz, C.; Lawson, J.H. & Vahlstrom Jr., W. “Electrical and electromechanical treeing effects in
LDPE and XLPE cables” IEEE Trans. Pas, vol.93, May/June 1974.
(9) Heinhold, L “ Power cables and their application“.
(10) Shattuck B. and Hartlein R. “Utility Puts TR-XLPE and EPR Cables to the Test “. Transmission and
Distribution World - April 2003
(11) Sarma, H; Cometa, E. & Densley, J. “Accelerated ageing test on polymeric cables using water filled tanks”,
IEEE Electrical Insulation, vol.18, nº2, March/April 2002.
(12) Occhini, E. “A statistical approach to the discussion of the dielectric strenght in electrical cables” IEEE 71 TP,
157 PWR, 1971
(13) Teixeira Júnior, Mario Daniel R.; Svenson, Marcos & Oliveira, Janari M. “Insulation coordination of MV power
cable.” IEEE Trans. Power Delivery , vol. 14, nº3, July 1999.
(14) NBR 7286 - Cabos de potência com isolação sólida extrudada de borracha etilenopropileno (EPR) para
tensões de isolamento de 1kV a 35 kV.
(15) NBR 9024 – Cabos de potência multiplexados com isolação extrudada de EPR e XLPE para tensões de 10
kV a 35 kV”
(16) Teixeira Júnior, Mario Daniel R. “Cabos elétricos para indústrias petroquímicas.” Revista Petro e Gás, nº 35,
Agosto 1991.
(17) NBR 5410 – Instalações Elétricas de Baixa Tensão.
(18) NBR 14039 - Instalações Elétricas de Média Tensão
(19) NBR 11301 - Cálculo da capacidade condução de corrente de cabos isolados em regime permanente.
(20) Teixeira Júnior, Mario Daniel R.”Cabos de Energia”, editora Artliber - 2004, www.artliber.com.br
(21)Teixeira Júnior, Mario Daniel R. “Critérios modernos de instalação para sistemas de distribuição
subterrâneos.” Revista Mundo Elétrico, nº 264, Set/1981.
(22) Guide for Field Testing of Shielded Power Cable using Very Low Frequency (VLF) – IEEE P 400.2/D9 – June
2003
(23) Kaiyser, Thor and Hedman, Leif “Accessories used on 12 kV and 24 kV cables in Sweden.” IEE conference,
My 1976.
(24) Catálogo de produtos da Kit Acessórios para Cabos Elétricos Ltda. www.kitacessorios.com.br
