Capacidade
de condução de corrente dos condutores elétricos O autor faz uma revisão os
conceitos envolvidos na definição de limites de corrente de fios e cabos
isolados para instalações de baixa e média tensão. As normas de instalações
trazem tabelas com valores de corrente e fatores de correção que facilitam o
trabalho do projetista, mas este deve sempre estar atento aos princípios físicos:
o que determina a capacidade máxima de condução é a suportabilidade térmica
dos materiais isolantes.
João Cunha, diretor da Mi Ômega
Engenharia e consultor técnico da Nexans Brasil Data: 22/02/2017 Edição: EM Fevereiro
2017 - Ano - 45 No 515 Compartilhe: Acapacidade de condução de corrente de um cabo elétrico é
definida como corrente máxima que este pode conduzir continuamente, em
condições especificadas, sem que sua temperatura em regime permanente
ultrapasse um valor determinado. Por essa definição, pode-se concluir que a
corrente que circula pelo cabo deve ser igual ou inferior à capacidade de
condução de corrente do seu(s) condutor(es), para que seja garantida
durabilidade satisfatória a este(s) e à isolação, em face dos efeitos
térmicos produzidos pela circulação de correntes. Como a capacidade de corrente do
cabo está relacionada com a temperatura que seus componentes podem atingir em
regime permanente, então as condições para sua instalação (tais como tipo de
linha elétrica, número de condutores no mesmo conduto e temperatura ambiente)
influenciarão essa capacidade. Este artigo discute os efeitos
térmicos da corrente elétrica nos cabos, sem, no entanto, apresentar a física
do fenômeno, uma vez que a apresentação adequada desta só poderia feita em um
livro — o que, a propósito, não vem ocorrendo nas obras de instalações
elétricas no Brasil, com exceção dos livros de Ademaro
Cotrim. A maioria dos livros dessa área
publicadas no País tem partido das normas de instalações elétricas, a NBR
5410 para cabos de baixa tensão [1] e a NBR 14039 para cabos de média tensão
[2], para tratar do assunto capacidade de corrente dos cabos. As tabelas de
capacidade que constam dessas normas são determinadas a partir de modelos
matemáticos e procedimentos estabelecidos na norma brasileira de cálculo de
capacidade de corrente de cabos, a NBR 11301 [3], que é baseada na IEC 60287
[4]. Fig. 1 – Condutor isolado de BT Deixar de abordar os aspectos
apresentados na NBR 11301 dá ao assunto uma simplicidade maior, mas retira o sentido
físico do problema. A limitação da corrente circulante em um cabo se dá pela
elevação de temperatura, e não tem relação direta com a corrente elétrica, em
si, como pode transparecer pela leitura desses livros. E o mesmo acontece com
a maioria dos componentes e equipamentos elétricos. Por exemplo, a pergunta
“Qual a potência elétrica máxima que pode ser retirada de um transformador de
1000 kVA?” soa estranha, numa primeira abordagem. Mas aqui também a limitação
da potência acontece devido à limitação da temperatura no isolante do
equipamento. Exatamente a mesma pergunta pode ser feita para um motor ou para
um barramento. Essa falta de conhecimento da física que está por trás do
problema pode levar a um conhecimento limitado do fenômeno ou mesmo a aplicações
equivocadas. Neste artigo não se defende que
sejam abolidas as tabelas de capacidade de corrente e de fatores de correção
das normas de instalações elétricas, nem que os cálculos sejam feitos sempre
usando os modelos matemáticos e procedimentos da NBR 11301, até porque estes
são modelos complexos, que utilizam conceitos termodinâmicos, e, para
aplicações rotineiras, resultariam em trabalho totalmente desnecessário. O
que se enfoca aqui é a importância de conhecer os princípios físicos
envolvidos na circulação de corrente nos cabos elétricos, infelizmente
esquecidos na literatura técnica nacional. Relembrando Conceitos A circulação de corrente gera calor,
devido ao efeito Joule, o qual provoca a elevação de temperatura no condutor
de maneira muito rápida, pois este é metálico. Em seguida, mais lentamente, o
calor gerado no interior do cabo atravessa todos os componentes deste, até
alcançar o ambiente externo. Esse processo de dissipação é resultado da
diferença de temperatura e da resistência térmica dos componentes do
material. O equilíbrio se dá quando a geração de calor por efeito Joule for
igual ao calor dissipado; neste caso há uma estabilização da temperatura do
condutor. Para cada valor de corrente, há uma temperatura de equilíbrio. O
calor gerado no condutor depende do valor eficaz da corrente, incluindo os
harmônicos, se houver. A elevação da temperatura provoca
deterioração dos materiais que compõem o cabo e, sendo os isolantes os
materiais mais sensíveis, estes determinam o limite de temperatura. Como, em
funcionamento normal, a temperatura é maior no interior do cabo do que no
exterior, a temperatura máxima se dá no condutor e é igual à da primeira
camada de material isolante. Portanto, pode-se dizer que a temperatura do
condutor é que determina a temperatura máxima do cabo. Os componentes do cabo são
definidos em função da aplicação deste. O condutor isolado de baixa tensão é
o mais simples que existe, pois dotado apenas da
camada de isolação, conforme mostra a figura 1. Outros cabos, como os de
média tensão (figura 2), possuem camadas adicionais com funções de blindagem
e cobertura. A vida útil de um cabo está
diretamente relacionada com sua temperatura de trabalho. Visando a uma vida
útil satisfatória, as normas de condutores isolados e de cabos uni ou
multipolares definem três temperaturas características, em função do tipo de
isolação, consideradas na superfície externa do condutor, propriamente dito
(interface condutor-isolação) — vide tabela I:
Um condutor sem circulação de
corrente tem a temperatura ambiente. Quando por ele circula uma corrente I =
IZ constante após o transiente, sua
temperatura se estabiliza no valor de θR = θZ. Se, após o transiente, a
corrente aumenta para 1,45IZ, então a temperatura do condutor
estabiliza-se no valor θR = θS. Tanto no regime nominal quanto
em sobrecargas, há um regime transitório e uma dissipação do calor para o
ambiente. No caso de curto-circuito, o tempo é muito curto, menor que 5
segundos, e nes te caso não há tempo para a
dissipação do calor para o ambiente, e, consequentemente, para o transitório.
Neste caso, o regime térmico é o adiabático, ou seja, o calor gerado pelo
efeito Joule é integralmente consumido no aquecimento do condutor e, assim,
não se pode relacionar a temperatura limite de curto-circuito a um valor de
corrente. O modelo matemático usado é, então, o balanço energético, descrito
pela integral de Joule. Todo o calor produzido durante o curto-circuito (do
instante inicial até o instante de sua interrupção) tem de ser inferior ao
necessário para elevar a temperatura do condutor de θZ para θK. Fig. 2 – Cabo de média tensão Neste momento aparece um problema de
ordem prática: o calor é a grandeza que interfere na vida útil do cabo, mas
não é aquela que os profissionais da área elétrica utilizam usualmente.
Portanto, é necessário relacionar o calor com a corrente elétrica, grandeza
de maior familiaridade entre esses profissionais. A metodologia para se
estabelecer essa relação é a apresentada na norma brasileira NBR 11301, que
determina a capacidade de condução de corrente de um cabo elétrico em funções
das suas características termodinâmicas. Ela, no entanto, não é de fácil
aplicação, devido aos modelos matemáticos e ao grande número de parâmetros
termodinâmicos exigidos. Para simplificar a utilização, as normas
brasileiras, assim como suas congêneres estrangeiras, adotam o conceito de
métodos de referências. Estes métodos de instalação, para os quais a
capacidade de condução de corrente foi determinada por cálculos segundo a NBR
11301, são os mais usados em instalações prediais e industriais. Para instalações elétricas de baixa
tensão, a NBR 5410 adotou os seguintes métodos: u
Para instalações de média tensão, a
NBR 14039 adotou os métodos:
Para cada método de instalação,
seja em baixa ou em média tensão, a respectiva norma apresenta tabelas com a
capacidade de condução de corrente em função da seção nominal do cabo, para
cada tipo de material usado como condutor (cobre e alumínio) e para cada
temperatura máxima de material usado como isolante (70, 90 e 105 graus). Um
aspecto extremamente importante a ser ressaltado é que este valor de
capacidade de corrente só vale para a condição calculada. Qualquer alteração
nas características termodinâmicas utilizadas na definição do método de
referência faz com que a tabela perca o seu valor. Ainda visando facilitar o
trabalho do profissional de instalações elétricas, a norma NBR 5410 apresenta
várias tabelas com fatores de correção, que podem ser aplicados ao valor
original para se obter um número mais próximo à realidade da instalação
considerada. Estes fatores dizem respeito a:
No caso da correção de temperatura,
como orientação geral, considerando o interior de edificações em diferentes
regiões do país, sugere-se adotar os seguintes valores de temperatura
ambiente:
O fator mais difícil de aplicar é o
relativo à resistividade térmica do solo. O valor adotado como referência
pelas normas brasileiras é de 2,5 K.m/W, que é o
valor recomendado pela IEC 60364 quando o tipo de solo e a localização
geográfica não são especificados, sendo este um número médio para os solos
encontrados no entorno da maioria das edificações urbanas. Quando a resistividade
térmica for superior a 2,5 K.m/W, caso de solos
muito secos, os valores indicados nas tabelas devem ser adequadamente
reduzidos, a menos que o solo na vizinhança imediata dos condutores seja
substituído por terra ou material equivalente com dissipação térmica mais
favorável. Já o fator de agrupamento é de
fácil aplicação, pois o número de circuitos em uma linha elétrica é conhecido
na fase de projeto. Conclusão A exemplo de outros componentes, os
cabos elétricos são sensíveis ao calor e isto se deve principalmente aos
isolantes, cujas propriedades são fortemente afetadas pela elevação de
temperatura. Porém, se todos os projetos se baseassem unicamente nas
temperaturas, a atividade do profissional de eletricidade se tornaria
extremamente difícil. Por isso, as normas apresentam critérios que convertem
a elevação de temperatura em corrente. Mas o profissional de instalações
elétricas sempre deve ter presentes os princípios físicos por trás dos números
apresentados nas tabelas. Bem como estar atento para que, se em alguma
situação os critérios que basearam os cálculos que resultaram nessas tabelas
são desrespeitados, a conversão de elevação de temperatura em corrente deixa
de ser válida e isto vai refletir-se em problemas na instalação. Referências 1.
ABNT: NBR 5410 (2004) – Instalações elétricas de baixa tensão. 2.
ABNT: NBR 14039 (2005) – Instalações elétricas de média tensão de 1,0
kV a 36,2 kV. 3.
ABNT: NBR 11301 (1990) – Cálculo da capacidade de condução de corrente
de cabos isolados em regime permanente (fator de carga 100%) – Procedimento. 4.
IEC 60287 – Electric cables Calculation of the current rating. O que é
unidade de condutividade térmica – Definição
Unidades de
condutividade térmica. Nas unidades SI, a condutividade térmica é medida
em watts por metro-kelvin – W / (m · K). Nas unidades imperiais, a
condutividade térmica é medida em BTU / (hr · ft⋅ ° F). Engenharia
Térmica Unidades de condutividade térmica Nas unidades SI, a
condutividade térmica é medida em watts por metro-kelvin
– W / (m · K). Nas unidades imperiais, a condutividade térmica é medida
em BTU / (hr
· ft⋅
° F) . Observe que, Unidade Térmica Britânica (unidade: BTU) é
definida como a quantidade de calor que deve ser absorvida por 1 libra de
água para aumentar sua temperatura em 1 ° F na temperatura em que a água tem
sua maior densidade (aproximadamente 39 graus Fahrenheit ). Outras unidades que estão intimamente relacionadas à
condutividade térmica são de uso comum nas indústrias de construção e
têxtil. A indústria da construção utiliza unidades como o valor R (resistência) , que é
expresso como a espessura do material normalizado para a condutividade
térmica e, em condições uniformes, é a razão da diferença de temperatura
entre um isolador e o calor densidade de fluxo através dele: R (x) = ∆T
/ q. Quanto maior o valor R, mais um material impede a transferência de calor. Como
pode ser visto, a resistência depende da espessura do produto. |