Como dimensionar os condutores elétricos de um projeto?

O termo condutor elétrico é usado para designar um produto destinado a transportar corrente elétrica, sendo que os fios e os cabos elétricos são os tipos mais comuns de condutores.

Dentre os materiais usados, o cobre é o metal mais utilizado na fabricação de condutores elétricos para instalações residenciais, comerciais e industriais. Já o alumínio é muito utilizado em instalações de média e alta tensão.

Os condutores elétricos podem assumir a forma de fios, cabos, barramentos e cordoalhas.

O fio é produto direto dos processos de laminação e trefilação, a partir de lingotes ou catodos de cobre ou alumínio.

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Já o cabo é produto de encordoamento de vários fios em número e dimensões pré definidas em normas e especificações, sendo que, em geral, quanto maior o número de fios que o cabo apresentar, maior será sua flexibilidade.

Fio rígido, cabo rígido e flexível.

Por sua vez, o barramento é composto por barras de seções retangulares ou circulares, de cobre ou alumínio, que são utilizadas como condutores.

As cordoalhas são cordões de aço formados por um conjunto de arames torcidos de forma helicoidal (acomodados em uma ou mais camadas), em volta de um único arame central.

As cordoalhas de aço são mais flexíveis do que os cabos de aço, o que caracteriza a principal diferença entre esses dois tipos de produtos.

Barramento e cordoalha de aço.

Os condutores (fios e cabos), são fabricados com secção (ou bitola) padronizadas, no Brasil, pela ABNT. Dentre as seções padronizadas, as mais comumente utilizadas são:

• 1,5mm²
• 2,5mm²
• 4mm²
• 6mm²
• 10mm²
• 16mm²
• 25mm²
• 35mm²
• 50mm²
• 70mm²
• 95mm²
• 120mm²
• 185mm²
• 240mm²
• 300mm²
• 400mm²
• 500mm²

Há também seções menores de 1,5mm² e maiores de 500mm², porém, para usos especiais.

Os condutores ainda são na grande maioria, fabricados em cobre eletrolítico, pela necessidade de bitolas maiores do que em cobre, para a mesma capacidade de corrente. Entretanto, o uso do alumínio isolado vem crescendo gradativamente, devido a problemas econômicos.

Condutores de alumínio

Os condutores de alumínio são fabricados em dois tipos básicos:

• Cabo alumínio, CA, pela nomenclatura brasileira, ou ACSR, pela nomenclatura americana
• Cabo alumínio COM ALMA DE AÇO, CAA, pela nomenclatura brasileira, ou ACSR, pela nomenclatura americana. Neste tipo de cabo, também utiliza-se do alumínio, porém sendo-lhe conferida resistência mecânica através da alma de aço. A alma de aço  deve ser previamente galvanizada para evitar o par galvânico do alumínio com o ferro

Os condutores de alumínio (CA ou CAA) são padronizados também por seções em 50mm², em geral.

Condutores de alumínio (CA ou CAA).

Posso usar cabo de alumínio em residências?

Muita gente tem dúvida se é permitido ou não a utilização de cabos de alumínio em instalações residências, uma vez que, em geral, o alumínio é mais barato. Em instalações de estabelecimentos industriais podem ser utilizados condutores de alumínio, desde que, simultaneamente:

• A seção nominal dos condutores seja igual ou superior a 16mm²
• A instalação seja alimentada diretamente por subestação de transformação ou transformador, a partir de uma rede de alta tensão, ou possua fonte própria
• A instalação e a manutenção sejam realizadas por pessoas qualificadas

Em instalações de estabelecimentos comerciais podem ser utilizados condutores de alumínio, desde que, simultaneamente:

• A seção nominal dos condutores seja igual ou superior a 50mm²
• Os locais possuam baixa densidade de ocupação e percurso de fuga breve em condições de fuga das pessoas em emergências
• A instalação e a manutenção sejam realizadas por pessoas qualificadas

Em locais de alta densidade de ocupação e percurso de fuga longo em condições de fuga das pessoas em emergências, não é permitido o emprego de condutores de alumínio em nenhuma circunstância!

Condutores isolados

A isolação de um condutor é a camada de material isolante aplicada sobre o condutor para isolá-lo eletricamente de outros condutores.

Existe uma diferença entre a isolação e a cobertura do condutor. Os condutores cobertos possuem uma capa protetora que não garante isolação elétrica, protegendo apenas contra choques mecânicos.

Em geral, todos os condutores devem ser providos, no mínimo, de isolação, a não ser quando o uso de condutores nus ou providos apenas de cobertura for permitido em norma.

Há também cabos que são isolados e cobertos ao mesmo tempo, garantindo a isolação elétrica e a proteção contra choques mecânicos.

O cabo elétrico de potência protegido tem como principais componentes o condutor, a isolação e a cobertura. Como não possui blindagem metálica, não deve ser tocado quando energizado, sob o perigo de acidentar-se devido à fuga da eletricidade.

Já o cabo elétrico de potência isolado tem como característica principal a blindagem metálica (fios de cobre) aplicada sobre a parte semicondutora externa, que além de garantir o confinamento do campo elétrico, permite o sólido aterramento do cabo tornando-o seguro ao toque.

Composição dos condutores isolados.

Para a isolação os materiais mais utilizados são:

• Plástico (baixa tensão)
• Borracha
• Composto sintéticos
• Papel impregnado em óleo isolante
• Características do isolante

A espessura da camada isolante vai depender de fatores como:

• Propriedades térmicas e dielétricas do isolante
• Tensão máxima admissível para o isolante
• Tipo de instalação na qual será utilizado o condutor

Classe de tensão

Os condutores elétricos passam a ter uma classificação quanto a tensão de isolamento, de acordo com o tipo de instalação em que os mesmos serão utilizados, determinando assim o tipo de material isolante a ser empregado.

Portanto, quanto à tensão de isolamento, os cabos elétricos podem ser classificados como:

• Baixa tensão: até 1,0kV
• Média tensão: de 1,8kV a 35kV
• Alta tensão: acima de 69kV

Cabos de energia

Os cabos de energia para média/ alta tensão são feitos em cobre recozido e usados em sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica subterrânea.

Em alguns casos, o isolante destes cabos, é o papel impregnado em óleo isolante, como no cabo óleo fluido (Cabo O.F.).

As partes principais dos cabos de energia são:

• Fitas grafitadas
• Capa externa (camisa ou capa de chumbo), que oferece proteção contra umidade e choques mecânicos. No caso do cabo O.F., ela tem ainda a função de retenção do óleo
• Blindagem eletrostática, que são fitas metálicas (cobre), cuja função é distribuir melhor o campo eletrostático no interior do condutor, permitindo assim, aumento na capacidade de corrente do cabo e diminuição do isolamento do mesmo
• Cordoalha, que é o conjunto de condutores entrelaçados que apresentam grande flexibilidade
• Fio copperweld

O condutor copperweld é feito de aço e possui revestimento em cobre. Nele procura-se aliar a boa condutividade de cobre e sua durabilidade, à elevada resistência mecânica do aço.

Sendo assim, a resistência e o módulo de elasticidade deste condutor ficam sensivelmente mais elevados que o cobre eletrolítico, o que em certos casos é vantajoso, por exemplo, nas hastes de aterramento ou sistemas de contrapeso para linhas de transmissão.

Como dimensionar os condutores elétricos?

A Norma ABNT NBR 5410 estabelece diversos critérios para dimensionar os condutores de um circuito elétrico. A seguir falaremos sobre os principais.

Vale salientar que para maior compreensão deste artigo e para a elaboração de qualquer projeto elétrico é imprescindível a utilização da norma para consulta de tabelas e especificações!

Além disso, esse é um material complementar para ajudar a compreensão, uma vez que nada substitui as normas técnicas.

Capacidade de condução de corrente

O condutor, ao ser submetido a uma diferença de potencial, faz surgir em suas extremidades uma corrente elétrica.

Essa corrente, ao passar pelo condutor, produz uma determinada quantidade de calor, que segundo a Lei de Joule, tende a elevar a temperatura do condutor, cuja dissipação térmica depende da natureza dos materiais constituintes e do meio (maneira de instalar o condutor).

Esse critério tem por objetivo garantir condições satisfatórias de operação aos condutores e às suas isolações, submetidos aos efeitos térmicos produzidos pela circulação da corrente elétrica de forma a evitar danificar o condutor.

A corrente transportada por qualquer condutor, durante períodos prolongados em funcionamento normal, deve ser tal que a temperatura máxima para serviço contínuo não seja ultrapassada.

No critério da capacidade de condução de corrente, é determinada a menor seção nominal de forma que a corrente que deve circular pelo circuito não provoque um aquecimento excessivo nos condutores.

Isto é, não leve os condutores a uma temperatura acima de 70°C para os fios e cabos com isolação de PVC e de 90°C para os isolados com EPR e XLPE.

É importante observar que as temperaturas citadas são consideradas na superfície do condutor, que fica em contato direto com a isolação.

Vale salientar que as especificações dos cabos são estipuladas para uma temperatura ambiente, ou seja, da temperatura do meio circundante quando o condutor considerado não estiver carregado. Caso esses valores sejam alterados, não é garantido os mesmos níveis de condutividade e resistência, por exemplo.

Corrente de projeto

A corrente de projeto é obtida de expressão já conhecida e que pode ser vista na imagem abaixo.

Em circuitos com várias tomadas ou pontos de iluminação pode-se adotar critérios de demanda para se prever a potência efetiva do circuito, uma vez que, dependendo da aplicação, nem todos os pontos de consumo serão utilizados simultaneamente.

Como dimensionar os condutores elétricos?

Tipo de Isolação

Devemos inicialmente escolher o tipo de isolação dos condutores. O tipo de isolação determinará a temperatura máxima a que os condutores poderão estar submetidos em regime contínuo, em sobrecarga ou em condição de curto-circuito.

Os valores de temperatura para condutores com isolação em PVC (Cloreto de Polivinila), EPR (Borracha Etileno Propileno) e XLPE (Polietileno Reticulado) são tabelados pela norma.

Temperatura para condutores com isolação.

Em geral, os condutores com isolação em PVC são os mais comuns em Instalações elétricas residenciais e prediais.

Os cabos uni e multipolares devem atender às seguintes normas:

• Os cabos com isolação de EPR, à ABNT NBR 7286
• Os cabos com isolação de XLPE, à ABNT NBR 7287
• Os cabos com isolação de PVC, à ABNT NBR 7288 ou à ABNT NBR 8661

Método de instalação

A NBR 5410 estabelece um total de 75 métodos diferentes de instalação de condutores.

Dependendo do método de instalação, maior ou menor será a capacidade de dissipação de calor gerado pela passagem da corrente elétrica e, por consequência, maior ou menor será a capacidade de condução dos condutores.

As referências variam entre A1, A2, B1, B2 e C. O método de instalação número 7, da norma, referência B1 (condutores em eletroduto de seção circular embutido em alvenaria), é a forma mais usual empregada em residências.

Diferentes de instalação de condutores.

Se um determinado circuito apresentar, ao longo de seus diversos trechos, mais de uma maneira de instalação, devemos considerar, para efeito de dimensionamento, aquela que apresente a condição mais desfavorável de troca térmica com o meio ambiente.

Ainda de acordo com a norma, é possível determinar a seção do condutor para o caso da isolação em PVC e para EPR ou XLPE, por meio das tabelas 36 e 37.

Nestas tabelas, você deve usar a referência do método de instalação (A1, A2, B1, B2 e C), além disso, o número de condutores carregados é 2 para circuito monofásico e 3 para trifásico.

O número de condutores carregados a ser considerado é indicado na norma, de acordo com o esquema de condutores vivos do circuito

Em particular, no caso de circuito trifásico com neutro, quando a circulação de corrente no neutro não for acompanhada de redução correspondente na carga dos condutores de fase, o neutro deve ser computado como condutor carregado.

Número de condutores carregados.

Lembrando que os condutores utilizados unicamente como condutores de proteção (PE) não são considerados. Os condutores PEN são considerados como condutores neutros.

Fatores de correção de temperatura

A temperatura ambiente interfere na capacidade de condução de corrente dos condutores, haja vista que quanto menor for esta temperatura maior será o fluxo de calor do condutor (aquecido pela passagem da corrente elétrica) para o ambiente em seu entorno.

O que limita a capacidade de condução do condutor é a temperatura na qual o material da isolação não é danificado.

Na norma, há a tabela 40 que indicam a capacidade de condução para temperaturas ambientes de 30 ºC para linhas não subterrâneas e de 20 ºC (temperatura do solo) para linhas subterrâneas.

Fatores de correção para resistividade térmica do solo

Existem ainda fatores de correção para resistividade térmica do solo, que devem ser consultados na norma NBR 5410 e na tabela 41.

Fatores de correção para resistividade.

Fatores de correção para agrupamento de circuitos

Para linhas elétricas contendo um total de condutores superior às quantidades indicadas nas tabelas de capacidade de condução de corrente (42 a 45), fatores de correção devem ser aplicados, uma vez que o calor emanado por um circuito irá aumentar a temperatura do circuito adjacente.

Corrente de projeto corrigida

Uma vez calculada a corrente de projeto e identificados os fatores de correção, a corrente de projeto é corrigida e seu valor utilizado para a determinação da seção do condutor. Na imagem abaixo, é possível ver a fórmula de cálculo.

Corrente de projeto corrigida.

Seção dos condutores de fase

A seção dos condutores de fase, em circuitos de corrente alternada, e dos condutores vivos, em circuitos de corrente contínua, não deve ser inferior ao indicado por norma.

A seção dos condutores deve ser determinada de forma a que sejam atendidos, no mínimo, todos os seguintes critérios:

• A capacidade de condução de corrente dos condutores deve ser igual ou superior à corrente de projeto do circuito, incluindo as componentes harmônicas, afetada dos fatores de correção aplicáveis
• A proteção contra sobrecargas
• A proteção contra curtos-circuitos e solicitações térmicas
• A proteção contra choques elétricos por seccionamento automático da alimentação em esquemas TN e IT, quando pertinente
• Os limites de queda de tensão
• As seções mínimas indicadas na tabela acima

Lembrando que todos esses critérios são encontrados na norma NBR 5410!

Seção do condutor neutro

O condutor neutro não pode ser comum a mais de um circuito. Em um circuito monofásico, ele deve ter a mesma seção do condutor de fase.

Quando, num circuito trifásico com neutro, a taxa de terceira harmônica e seus múltiplos for superior a 15%, a seção do condutor neutro não deve ser inferior à dos condutores de fase, podendo ser igual à dos condutores de fase se essa taxa não for superior a 33%.

Quando, num circuito trifásico com neutro ou num circuito com duas fases e neutro, a taxa de terceira harmônica e seus múltiplos for superior a 33%, pode ser necessário um condutor neutro com seção superior à dos condutores de fase.

A seção do condutor neutro de um circuito com duas fases e neutro não deve ser inferior à seção dos condutores de fase, podendo ser igual à dos condutores de fase se a taxa de terceira harmônica e seus múltiplos não for superior a 33%.

Seção do condutor neutro.

Queda de tensão

Em qualquer ponto de utilização da instalação, a queda de tensão verificada não deve ser superior aos seguintes valores, dados em relação ao valor da tensão nominal da instalação:

• 7%, calculados a partir dos terminais secundários do transformador MT/BT, no caso de transformador de propriedade da(s) unidade(s) consumidora(s)
• 7%, calculados a partir dos terminais secundários do transformador MT/BT da empresa distribuidora de eletricidade, quando o ponto de entrega for aí localizado
• 5%, calculados a partir do ponto de entrega, nos demais casos de ponto de entrega com fornecimento em tensão secundária de distribuição
• 7%, calculados a partir dos terminais de saída do gerador, no caso de grupo gerador próprio

Quedas de tensão maiores que as indicadas acima são permitidas para equipamentos com corrente de partida elevada, durante o período de partida, desde que dentro dos limites permitidos em suas normas respectivas.

Conexões

Outro ponto de atenção, que muitas vezes é negligenciado, é o uso de conexões elétricas. As conexões de condutores entre si e com outros componentes da instalação devem garantir continuidade elétrica durável, adequada suportabilidade mecânica e adequada proteção mecânica.

Na seleção dos meios de conexão devem ser considerados:

• O material dos condutores, incluindo sua isolação
• A quantidade de fios e formato dos condutores
• A seção dos condutores
• O número de condutores a serem conectados conjuntamente

É aconselhável evitar o uso de conexões soldadas em circuitos de energia. Se tais conexões forem utilizadas, elas devem ter resistência à fluência e a solicitações mecânicas compatíveis com a aplicação.

As conexões devem ser acessíveis para verificação, ensaios e manutenção, exceto nos seguintes casos:

• Emendas de cabos enterrados
• Emendas imersas em compostos ou seladas

Se necessário, devem ser tomadas precauções para que a temperatura atingida nas conexões, em serviço normal, não afete a isolação das partes condutoras conectadas.

As conexões devem poder suportar os esforços impostos pelas correntes, seja em condições
normais, seja em condições de falta.

Além disso, as conexões não devem sofrer modificações inadmissíveis em decorrência de seu aquecimento, do envelhecimento dos isolantes e das vibrações que ocorrem em serviço normal.

Em particular, devem ser consideradas as influências da dilatação térmica e das tensões eletroquímicas, que variam de metal.

Para continuar aprendendo, assista o vídeo abaixo sobre dimensionamento de condutores para circuitos monofásicos de um projeto elétrico.

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